Thiết kế và chế tạo bộ đo lưu lượng thể tích ứng dụng trong các hệ thống điều khiển động cơ báo cáo tổng kết kết quả đề tài khoa học công nghệ cấp trường msđt t ktgt 2010 07

Khi đã xác định được mức độ chính xác và tầm quan trọng của bộ đo lưu lượng, có thể chọn một trong những phương pháp đo phù hợp để đáp ứng nhu cầu đặt ra, ví dụ như công nghệ đo kiểu chê

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

FOG

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài:

Thiết kế & chế tạo bộ đo lưu lượng thể tích

ứng dụng trong các hệ thống điều khiển động cơ

Mã số đề tài : T-KTGT-2010-07

Thời gian thực hiện : 04/2010 đến 04/2011

Chủ nhiệm đề tài : ThS ĐINH QUỐC TRÍ

Cán bộ tham gia đề tài : TS.NGUYỄN NGỌC DŨNG

TS.NGUYỄN ANH THI

ThS.LÊ VĂN CƯỜNG

ThS.TRẦN ĐĂNG LONG

ThS.HỒTHANH THƠ

KS.TRƯƠNG HOÀI LINH

KS.VÕ LÊ HOÀI PHƯƠNG

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng ……/……

Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài

(Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm bộ môn, Khoa/Trung tâm)

1 TS.Nguyễn Ngọc Dũng Đơn vị: Bộ môn Kỹ Thuật Ô tô –

Khi đã xác định được mức độ chính xác và tầm quan trọng của bộ đo lưu lượng, có thể chọn một trong những phương pháp đo phù hợp để đáp ứng nhu cầu đặt ra, ví dụ như công nghệ

đo kiểu chênh áp (Differential Pressure), công nghệ đo kiểu từ trường (Magnetic), công nghệ kiểu siêu âm (Ultrasonic), Tuabin (Turbine) , thiết bị đo kiểu phao (Rotameter), ống Coriolis, thiết bị đo kiểu Karman (Vortex Shedding), công nghệ dây nhiệt và một số công nghệ khác hiện

nay

Việc sử dụng các công nghệ có độ chính xác cao như : ống Coriolis, công nghệ dây nhiệt, công nghệ siêu âm…giá thành lắp đặt hệ thống cao hơn nhiều so với công nghệ chênh áp như: ống venturi, ống pitot, ống orifice… Cuối cùng, mục tiêu của đề tài là tập trung nghiên cứu và chế tạo ra một thiết bị đo lưu lượng kiểu chênh áp có khả năng đo lưu lượng của lưu chất (bao gồm cả chất khí và chất lỏng) có độ chính xác chấp nhận được trong quá trình sử dụng mà giá thành thấp hơn so với các thiết bị khác Trong quá trình khảo sát đặc tính làm việc của các phương án đo lưu lượng dựa trên phương án chênh áp, với sự hỗ trợ của công cụ tính toán mô phỏng Ansys Fluent, cuối cùng chọn ống venturi là phù hợp với yêu cầu đặt ra của đề tài

Bước tiếp theo sẽ tiến hành cân chuẩn bộ đo lưu lượng thể tích kiểu ống venturi với bộ đo chuẩn kiểu dây nhiệt ABB, đánh giá khả năng làm việc của bộ đo thông qua các thông số như:

độ chính xác, độ nhạy, độ tin cậy, độ ổn định và hệ số cản của bộ đo

MỤC LỤC

Chương 1: GIỚI THIỆU 1 

1.1 Ứng dụng của các thiết bị đo lưu lượng trong đo lường và điều khiển động cơ đốt trong 1 

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2 

1.3 Nội dung thực hiện 2 

Chương 2: TÌM HIỂU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG 3 

2.1 Kỹ thuật đo lưu lượng bằng nguyên lý độ chênh áp 3 

2.2 Kỹ thuật đo lưu lượng bằng nguyên lý dây nhiệt 3 

2.3 Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc khác 4 

2.3.1 Kiểu Karman 4 

2.3.2 Kiểu dao động - ống Coriolis 4 

2.3.3 Kiểu điện từ 4 

2.4 So sánh các phương pháp đo 5 

Chương 3: SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ CHÊNH ÁP 7 

3.1 Các điều kiện mô phỏng 7 

3.1.1 Điều kiện về kích thước 7 

3.1.2 Điều kiện về lưu chất mô phỏng 8 

3.1.3 Điều kiện về lưới của mô hình 8 

3.2 Kết quả mô phỏng 8 

3.2.1 Ống venturi 8 

3.2.2 Ống orifice 9 

3.2.3 Ống nozzle 9 

3.2.4 Ống phân kỳ - hội tụ 10 

3.2.5 So sánh các phương án 10 

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐO LƯU LƯỢNG KHÔNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHÊNH ÁP 12 

4.1 Yêu cầu 13 

4.2 Thiết kế kỹ thuật bộ đo 13 

i

4.2.1 Thiết kế kỹ thuật ống venturi 13 

4.2.2 Thiết kế kỹ thuật hệ thống đo điện tử cho bộ đo lưu lượng 14 

4.3 Thiết kế công nghệ cho bộ đo 16 

4.3.1 Thiết kế công nghệ ống venturi 16 

4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển điện tử cho bộ đo lưu lượng không khí nạp 16 

Chương 5: CÂN CHUẨN VÀ ĐÁNH GIÁ BỘ ĐO LƯU LƯỢNG 20 

5.1 Thực nghiệm cân chuẩn dùng cho quá trình thiết lập các thông số của bộ đo 20 

5.1.1 Thiết bị cân chuẩn 20 

5.2 Đánh giá đặc tính của bộ đo LTAFM 21 

5.2.1 Độ chính xác 22 

5.2.2 Tầm đo 23 

5.2.3 Độ nhạy 23 

5.2.4 Độ phân giải 24 

5.2.5 Hệ số cản 25 

Chương 6: ỨNG DỤNG 26 

Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 27 

7.1 Kết luận 27 

7.2 Hướng phát triển 27 

PHỤ LỤC

ii

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Ứng dụng bộ đo lưu lượng tại vị trí khác nhau trên động cơ 1 

Hình 2.1 Phương pháp đo bằng ống venturi 3 

Hình 2.2 Phương pháp đo bằng lỗ orifice 3 

Hình 2.3 Phương pháp đo bằng ống nozzle 3 

Hình 2.4 Phương pháp đo bằng ống pitot 3 

Hình 2.5 Phương pháp đo kiểu dây nhiệt và kiểu Karman 4 

Hình 2.6 Phương pháp đo kiểu ống Coriolis và kiểu điện từ 4 

Hình 3.1 Ống venturi 7 

Hình 3.2 Ống nozzle 7 

Hình 3.3 Ống orifice 7 

Hình 3.4 Ống phân kỳ - hội tụ 7 

Hình 3.5 Mô hình chia lưới ống venturi 8 

Hình 3.6 Mô hình chia lưới ống nozzle 8 

Hình 3.7 Mô hình chia lưới ống orifice 8 

Hình 3.8 Mô hình chia lưới ống phân kỳ-hội tụ 8 

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng ống ventui 8 

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng ống orifice 9 

Hình 3.11 Kết quả mô phổng ống nozzle 9 

Hình 3.12 Kết quả mô phỏng ống phân kỳ - hội tụ 10 

Hình 3.13 So sánh kết quả mô phỏng của các phương án 10 

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý tính toán ống venturi 11 

Hình 4.1 Bản vẽ sơ đồ nguyên lý ống venturi 13 

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện – điện tử của bộ đo lưu lượng 14 

Hình 4.3 Sơ đồ giải thuật của bộ đo 15 

Hình 4.4 Ống venturi được chế tạo 16 

Hình 4.5 Bản vẽ lắp ống venturi 16 

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ổn áp +5VDC và +8VDC 17 

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu từ cặp áp suất chênh áp 17 

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc tín hiệu cảm biến áp suất không khí 18 

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc tín hiệu cảm biến nhiệt độ không khí 18 

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu analog 18 

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc/xuất tín hiệu digital 18 

Hình 4.12 Sơ đồ bố trí linh kiện trên bo mạch bộ đo 19 

Hình 4.13 Bo mạch điều khiển của bộ đo được chế tạo 19 

Hình 5.1 Sơ đồ thực nghiệm cân chuẩn bộ đo lưu lượng không khí 20 

Hình 5.2 Sơ đồ thực bộ đo lưu lượng không khí trên xe Daewoo Lanos 20 

iii

Hình 5.3 Đặc tuyến quan hệ điện áp V và lưu lượng không khí Q 21 

Hình 5.4 Đồ thị chính xác của bộ đo lưu lượng không khí trên toàn dãy đo 22 

Hình 5.5 Phân bố xác suất của bộ đo LTAFM và ABB tại các lưu lượng khác nhau 23 

Hình 5.6 Độ nhạy của bộ đo ở lưu lượng không khí tĩnh 24 

Hình 5.7 Độ nhạy của bộ đo ở lưu lượng không khí dao động 24 

Hình 6.1 Bộ đo lưu lượng không khí và biogas trên máy phát điện công suất lớn dùng 100% biogas……… 24

Hình 6.2 Bộ đo lưu lượng khí thải kiểu venturi……….24

MỤC LỤC BẢNG Bảng 3-1 Bảng thông số của không khí ở 250C 8 

Bảng 5-1 Độ tin cậy của bộ đo lưu lượng không khí tại các mức lưu lượng khác nhau 23 

iv

Chương 1: GIỚI THIỆU

Lưu lượng các chất khí và lỏng là những thông số quan trọng trong đo lường, điều khiển và

đánh giá động cơ đốt trong (Hình 1-1) Cụ thể:

9 Lưu lượng không khí nạp là thông số quan trọng cho các quá trình điều khiển động

cơ, đặc biệt là động cơ đánh lửa cưỡng bức (điều khiển cung cấp nhiên liệu, đánh

lửa, phân phối khí…)

9 Lưu lượng khí xả là thông số quan trọng cho quá trình đánh giá phát thải ô nhiễm

của động cơ, chuyển đổi các thành phần khí thải được định lượng theo thể tích

thành định lượng theo khối lượng

9 Lưu lượng nhiên liệu (lỏng, khí) là thông số quan trọng trong đáng giá tính năng

làm việc, tính kinh tế của động cơ

9 Ngoài ra, lưu lượng hồi lưu khí xả và lưu lượng lọt khí cũng là những thông số cần

khảo sát

Hình 1.1 Ứng dụng bộ đo lưu lượng tại vị trí khác nhau trên động cơ

Nhu cầu phát triển các hệ thống điều khiển động cơ – đặc biệt là các hệ thống điều khiển

cung cấp nhiên liệu và đánh lửa trên động cơ đốt cháy cưỡng bức như động cơ nhiều xilanh/động

cơ xe gắn máy dùng LPG/CNG/biogas/nhiên liệu sinh học, đặt ra yêu cầu quan trọng cho việc

nghiên cứu và chế tạo thành công các bộ đo lưu lượng thể tích, nhất là bộ đo lưu lượng không

khí nạp cho động cơ và lưu lượng nhiên liệu khí

Các bộ đo lưu lượng không khí (kiểu tấm đo gió và kiểu dây nhiệt/màng nhiệt) đã qua sử

dụng có trên thị trường hiện nay chỉ phù hợp cho các ứng dụng đo lưu lượng không khí nạp với

động cơ có thông số làm việc tương đương Những bộ đo này khó áp dụng được cho những động

cơ có dung tích lớn hơn (VD: các động cơ dùng nhiên liệu khí chuyển đổi từ động cơ diesel), hay

kích thước rất nhỏ (VD: các động cơ xe gắn máy), hay các chất khác (nhiên liệu lỏng/khí, khí

thải, lọt khí) Do đó, việc nghiên cứu và xác định công nghệ phù hợp để tự phát triển các bộ đo

lưu lượng trong điều kiện ở Việt Nam là một công tác quan trọng và cần thiết

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

¾ Xác định phương pháp đo lưu lượng thể tích phù hợp cho các ứng dụng trong đo lường

và điều khiển động cơ đốt trong

¾ Chế tạo thử nghiệm một bộ đo lưu lượng thể tích mẫu với điều kiện công nghệ trong

nước, đạt độ chính xác, độ tin cậy, độ nhạy và độ ổn định cao

1.3 Nội dung thực hiện

ƒ Tìm hiểu các kỹ thuật đo lưu lượng, xác định phương pháp đo lưu lượng phù

hợp cho các ứng dụng trong đo lường và điều khiển động cơ đốt trong

ƒ Thiết kế, tính toán và mô phỏng đặc tính bộ đo lưu lượng cho đối tượng cụ thể là

động cơ xe Lanos (động cơ xăng 04 xilanh, dung tích xilanh 1,5l) với lưu lượng thiết kế:

ƒ Thiết kế nguyên lý hệ thống điện – điện tử và giải thuật làm việc của chương trình đo

ƒ Thiết kế và chế tạo một bộ đo lưu lượng thể tích mẫu

ƒ Cân chuẩn và xác định đặc tuyến của bộ đo lưu lượng đã chế tạo

ƒ Thử nghiệm và đánh giá tính năng của bộ đo lưu lượng đã chế tạo

ƒ Báo cáo tổng hợp nội dung đề tài

Chương 2: TÌM HIỂU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG VÀ CHỌN

PHƯƠNG ÁN

Một trong những nguyên tắc phổ biến để đo lưu lượng chất lỏng và khí là nguyên tắc đo

lưu lượng dựa trên sự thay đổi áp suất: khi lưu chất chuyển động qua vị trí cĩ tiết diện hẹp sẽ làm

cho vận tốc tăng lên và đồng thời làm cho áp suất tĩnh giảm xuống Lưu lượng chất lỏng/khí đi

qua ống tỉ lệ với độ chênh lệch áp suất này

Các phương án đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc chênh áp như : ống venturi, lỗ orifice,

ống nozzle và ống pitot Hình 2 thể hiện nguyên lý đo lưu lượng bằng phương pháp chênh áp

D 1 D 2

Dòng chảy

h

Hình 2.1 Phương pháp đo bằng ống venturi

Hình 2.2.Phương pháp đo bằng lỗ orifice

Ps Áp suất tĩnh Pt

Áp suất tuyệt đối

h

Hình 2.4.Phương pháp đo bằng ống pitot

Kỹ thuật này dựa trên nguyên tắc dịng mơi chất làm mát (giảm nhiệt độ) của vật thể, và mức độ là mát tỉ lệ với tốc độ dịng lưu chất Một cảm biến nhiệt kiểu điện trở được sử dụng để

đo nhiệt độ của dịng mơi chất (nhiệt độ tham chiếu) Một cảm biến nhiệt kiểu điện trở khác sẽ được nung nĩng bởi dịng điện cố định đĩng vai trị là đầu đo nhiệt chủ động (Active RTD) Do

Chương 2: Các phương pháp đo lưu lượng 3

đầu đo nhiệt chủ động bị làm mát bởi dịng lưu chất, dẫn đến chênh lệch nhiệt độ ∆T giữa 02 đầu

đo sẽ giảm Tốc độ của dịng mơi chất sẽ tỉ lệ với mức độ thay đổi của ∆T

Hình 2.5 Phương pháp đo kiểu dây nhiệt và kiểu Karman

2.3.1 Kiểu Karman

Dịng lưu chất chuyển động va chạm vào vật cản sẽ tạo thành các xốy lốc, tốc độ của dịng lưu chất tỉ lệ với số lượng xốy lốc tạo thành

2.3.2 Kiểu dao động - ống Coriolis

Dịng lưu chất chuyển động vào trong ống Coriolis sẽ tạo thành các dao động và làm xoắn ống Coriolis Mức động dao động và độ xoắn của ống Coriolis tỉ lệ với tốc độ dịng lưu chất

Dòng vào

Dòng ra

Trục xoắn

Trục dao động

l

d

dm r V

Hình 2.6 Phương pháp đo kiểu ống Coriolis và kiểu điện từ

2.3.3 Kiểu điện từ

Theo định luật Faraday, khi một dây dẫn cĩ chiều dài l di chuyển vuơng gĩc với từ trường

B với vận tốc v, giữa 02 đầu dây dẫn sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng

Chương 2: Các phương pháp đo lưu lượng 4

Khi áp dụng định luật Faraday vào thiết bị đo lưu lượng, lưu chất chuyển động qua ống lúc này đóng vai trò của dây dẫn chuyển động qua từ trường và chiều dài của dây dẫn đưa và tính toán lúc này chính bằng khoảng cách giữa 2 cảm biến đặt trên thiết bị đo

9 Lưu lượng đo min bị giới hạn

9 Tổn thất áp suất cao hơn so với ống venturi

9 Lưu lượng đo min bị giới hạn

3 Ống Nozzle

9 Có thể sử dụng cho lưu chất có chứa chất bẩn, vận tốc và nhiệt

độ cao

9 Tổn thất áp suất thuộc loại trung bình

9 Kỹ thuật đơn giản, dễ chế tạo

9 Giá thành cao hơn so với ống orifice nhưng thấp hơn ống venturi

9 Khó khăn trong việc lắp rắp

và chế tạo so với ống venturi

5 Thiết bị kiểu dây nhiệt

9 Lưu lượng đo min bị giới hạn

9 Không cần thường xuyên bảo dưỡng

Dựa vào yêu cầu của đề tài và bảng so sánh ưu – nhược điểm của

các phương pháp đo Phương pháp đo lưu lượng kiểu chênh áp

được chọn vì giá thành thấp, dễ chế tạo, phù hợp với điều kiện công nghệ ở Việt Nam hiện nay

Chương 2: Các phương pháp đo lưu lượng 6

Chương 3: SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG DỰA TRÊN

NGUYÊN LÝ CHÊNH ÁP

Trong chương này, đặc tính làm việc của các phương án đo dựa trên độ chênh áp như: ống venturi, orifice, nozzle, phân kỳ - hội tụ sẽ được khảo sát bằng phương pháp mô phỏng với phần mềm Ansys CFD/Fluent để xác định các đặc tuyến chuyển đổi, độ nhạy và hệ số cản tương ứng Đây là cơ sở để chọn phương án thiết kế phù hợp với yêu cầu đề tài

3.1 Các điều kiện mô phỏng

3.1.1 Điều kiện về kích thước

Các phương án được mô phỏng phải đồng dạng về kích thước Đường kính tại vị trí co hẹp bằng 0.75 đường kính vào của ống Trong đó, đường kính vào Φ55 được chọn theo kích thước của động cơ xe Lanos như đã trình bày trong yêu cầu của đề tài

180 60

3.1.2 Điều kiện về lưu chất mô phỏng

Trong điều kiện mô phỏng, lưu chất được sử dụng là không khí ở 25oC có tính chất như bảng sau:

Bảng 3-1 Bảng thông số của không khí ở 250C

Khối lượng phân tử [kg/kmol] 28.96

Khối lượng riêng [kg/m 3 ] 1.185

Hệ số giãn nở do nhiệt [1/K] 0.003356

Hệ số nhớt động học [kg/m.s] 1.831e-05

Do lưu lượng lớn nhất qua bộ đo là Qmax = 120 lít/s nên trong quá trình mô phỏng để đảm bảo được lưu lượng đó thì điều kiện về áp suất giữa đầu vào và đầu ra chênh lệch 2000 Pa

3.1.3 Điều kiện về lưới của mô hình

Hình 3.5 Mô hình chia lưới ống venturi

Hình 3.6 Mô hình chia lưới ống nozzle

Hình 3.7 Mô hình chia lưới ống orifice

Hình 3.8 Mô hình chia lưới ống phân kỳ-hội tụ

3.2 Kết quả mô phỏng

3.2.1 Ống venturi

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng ống ventui Nhận xét:

Kết quả cho thấy, với độ chênh áp ∆Pmax = 5500 Pa thì lưu lượng lớn nhất qua ống venturi Qmax =

123 (lít/s) và hệ số cản Cmax = 2500 Khi độ chênh áp ∆P tăng từ 550 Pa ÷ 5550 Pa thì lưu lượng Q tăng Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 8

từ 40 lít/s ÷ 123 lít/s (tăng 3 lần) và tỷ số ∆P/Q tăng khoảng 3.5 lần Nếu độ chênh áp giữa đầu vào và chỗ co hẹp ngày càng tăng thì lưu lượng qua ống tăng theo nhưng đồng thời làm cho hệ số cản của ống venturi cũng tăng theo, nguyên nhân là do khi tăng độ chênh áp sẽ làm cho các lốc xoáy xuất hiện ngày càng nhiều và làm tăng hệ số cản

3.2.2 Ống orifice

Orifice.png

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng ống orifice Nhận xét:

Theo đồ thị trên ta thấy, với độ chênh áp ∆Pmax = 2500 kPa thì lưu lượng lớn nhất qua ống orifice

Qmax ≈ 68 (lít/s) và hệ số cản Cmax ≈ 17000 Khi độ chênh áp ∆P tăng từ 250 Pa ÷ 2500 Pa thì lưu lượng

Q tăng từ 21 lít/s ÷ 68 lít/s (tăng khoảng 3.2 lần) và tỷ số ∆P/Q tăng khoảng 3.11 lần Hệ số cản của ống orifice tăng cao là do xoáy lốc được tạo ra khi dòng đi qua vị trí co hẹp, chính các lốc xoáy này làm cho dòng lưu chất bị mất năng lượng dẫn đến lưu lượng bị giảm mạnh

3.2.3 Ống nozzle

Hình 3.11 Kết quả mô phổng ống nozzle Nhận xét:

Đồ thị trên cho thấy, với độ chênh áp ∆Pmax = 2500 Pa thì lưu lượng lớn nhất qua ống nozzle Qmax ≈

79 (lít/s) và hệ số cản Cmax ≈ 12200 Khi độ chênh áp ∆P tăng từ 260 Pa ÷ 2440 Pa thì lưu lượng Q tăng

từ 26 lít/s ÷ 79 lít/s (tăng khoảng 3.03 lần) và tỷ số ∆P/Q tăng khoảng 3.18 lần

Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 9

3.2.4 Ống phân kỳ - hội tụ

Hình 3.12 Kết quả mô phỏng ống phân kỳ - hội tụ Nhận xét:

Kết quả mô phỏng cho thấy, với độ chênh áp ∆Pmax = 1000 Pa thì lưu lượng lớn nhất qua ống phân

kỳ - hội tụ Qmax ≈ 130 (lít/s) và hệ số cản Cmax ≈ 1200 Khi độ chênh áp ∆P tăng từ 100 Pa ÷ 1050 Pa thì lưu lượng Q tăng từ 41 lít/s ÷ 130 lít/s (tăng khoảng 3.18 lần) và tỷ số ∆P/Q tăng khoảng 2.81 lần Chính vì khả năng cản dòng thấp cho nên độ chênh áp giữa đầu vào và chỗ co hẹp dẫn đến độ nhạy của ống phân kỳ - hội tụ thấp hơn nhiều so với các phương án khác

3.2.5 So sánh các phương án

Hình 3.13 So sánh kết quả mô phỏng của các phương án Nhận xét:

Dựa vào kết quả mô phỏng trên hình 3.13, khi lưu lượng vào khoảng 60 (lít/s) thì ống orifice có độ

chênh áp cao nhất (khoảng 2085 Pa) đồng thời trở lực trên đường ống cũng cao nhất (khoảng 15000) Đối với ống phân kỳ - hội tụ với cùng một lưu lượng như ống orifice thì độ chênh áp và tổn thất thấp nhất trong các phương án nêu trên Trong khi đó, ống nozzle và ống venturi có độ chênh áp gần như trùng nhau nhưng ống venturi có dãy đo rộng hơn và có trở lực trên đường ống thấp hơn so với ống nozzle Cuối cùng, ống phân kỳ hội tụ kết hợp với đĩa orifice thì độ chênh áp tăng không đáng kể và làm tổn thất trên đường ống tăng lên

Theo kết quả mô phỏng và khảo sát đặc tính làm việc của các phương án trong kỹ thuật đo lưu lượng thể tích dựa trên nguyên lý chênh áp Cuối cùng chọn ống venturi vì có trở lực trên đường ống thấp và có độ nhạy chấp nhận được theo yêu cầu đặt ra

Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 10

3.3 Cơ sở lý thuyết bộ đo lưu lượng bằng ống venturi

Dòng chảy

h

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý tính tốn ống venturi

Với một chất khí bất kỳ ở điều kiện áp suất P, nhiệt độ T và vận tốc dịng khí nhỏ hơn 1/3 vận tốc âm thanh trong cùng điều kiện, theo định luật Bernoulli, quan hệ giữa lưu lượng dịng khí đi qua ống venturi và độ chênh áp được được thể hiện theo các cơng thức (1.1) và (1.2) [1]:

2 2 1

P -P2

Q = A

ρA

A

P -P2

Q = ρ.C A

ρA

A

9 P1 [Pa] : áp suất đầu vào của dịng khí

9 P2 [Pa] : áp suất tại vị trí co hẹp của dịng khí

9 v1 [m/s] : vận tốc vào của dịng khí

Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng khơng khí bằng phương pháp chênh áp 11

9 v2 [m/s] : vận tốc tại vị trí co hẹp của dòng khí

R.T [kg/m

3] : khối lượng riêng của chất khí

9 P [Pa] : áp suất của chất khí

Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 12

2 Bộ đo lưu lượng sau khi được cân chuẩn bằng một chất khí cụ thể trong điều kiện xác định, có thể sử dụng để đo lưu lượng của chất khí bất kì nếu biết được khối lượng riêng của chất khí đó

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐO LƯU LƯỢNG KHÔNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG

4.2 Thiết kế kỹ thuật bộ đo

4.2.1 Thiết kế kỹ thuật ống venturi

Dựa theo kết quả mô phỏng và tài liệu tham khảo [2], ống venturi được thiết kế theo tiêu chuẩn [6] với góc vào 210, góc ra 70 và các kích thước khác được trình bày như trên hình:

180

2.5 Rz40

10 42 60 115

Hình 4.1 Bản vẽ sơ đồ nguyên lý ống venturi

Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 13

4.2.2 Thiết kế kỹ thuật hệ thống đo điện tử cho bộ đo lưu lượng

Để xác định lưu lượng qua ống venturi ta cần hệ thống điện tử để hiển thị kết quả Sơ đồ phần cứng của hệ thống đo được mô tả như hình dưới :

Hình 4.2.Sơ đồ nguyên lý mạch điện – điện tử của bộ đo lưu lượng

- Các tín hiệu ngõ vào :

+ Analog input 1: Tín hiệu cảm biến áp suất P0

+ Analog input 2: Tín hiệu cảm biến nhiệt độ T0

+ Analog input 3: Tín hiệu cảm biến độ chênh áp ∆P

+ Digital input 1: Tín hiệu cảm biến số vòng quay động cơ ne

- Các tín hiệu ngõ ra :

+ Analog output 1: Xuất giá trị lưu lượng tức thời khi đo theo thời gian (0.04s)

+ Analog output 2: Xuất giá trị lưu lượng trung bình theo chu kỳ động cơ

+ COM: Cổng kết nối máy tính bằng chuẩn RS232

Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 14

Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 15

Hình 4.3 Sơ đồ giải thuật của bộ đo

4.3 Thiết kế cơng nghệ cho bộ đo

4.3.1 Thiết kế cơng nghệ ống venturi

Chọn vật liệu chế tạo ống venturi : thép Carbon thường CT3 Ngồi ra cịn cĩ thể sử dụng các loại

vật liệu thơng dụng khác để chế tạo ống venturi như : nhơm, gang, nhựa…

Hình 4.4.Ống venturi được chế tạo

Cảm biến chênh áp P

Cảm biến nhiệt độ T 0

Board

Cảm biến áp suất P 0

Mạch đo bộ đo lưu lượng khơng khí nạp bao gồm các khối mạch chính sau:

+ Nguồn điện ổn áp

+ Mạch đo tín hiệu analog

+ Mạch xuất tín hiệu analog

+ Mạch đọc/xuất tín hiệu digital

+ Mạch vi điều khiển đa năng

IC ổn áp LM7805 và LM7808 được sử dụng vì chất lượng ổn áp tốt, giá thành rẻ và rất thông dụng

Điện áp +12VDC sau khi qua IC LM7808 tạo ra điện áp ổn định +8VDC cung cấp cho các IC khuếch đại thuật toán (op-amp); và là điện áp ngõ vào cho IC LM7805 tạo ra điện áp ổn định +5VDC cung cấp cho vi điều khiển, IC logic và các cảm biến Do điện áp ngõ ra cực đại của op-amp không vượt quá Vcc – 1.5 VDC, việc sử dụng nguồn +8VDC cho phép ngõ và và ngõ ra của các op-amp làm việc trong toàn dải 0 +5VDC Ngoài ra, sử dụng nguồn +8VDC để tạo ra nguồn +5VDC sẽ giúp giảm tổn hao nhiệt trên IC LM7805, so với trường hợp sử dụng trực tiếp nguồn +12VDC.Các tụ điện được

sử dụng để lọc nhiễu và tăng tính ổn áp khi dòng tải biến thiên nhanh.Các diode được sử dụng để bảo

vệ trong trường hợp đấu nhầm cực tính nguồn điện

D12 D1N4007

C26 0.1u

+

C1 2200u/16V

C4 0.1u D1

1N4007

B+

U7 LM7808C/TO220_0

+

C2 2200u/16V

+8V

U1 LM7808C/TO220_0

+

C25 2200u/25V

4.3.2.2 Mạch đo tín hiệu analog

Chức năng: khuếch đại tín hiệu sai lệch từ cặp cảm biến áp suất chênh áp, đọc tín hiệu điện áp từ

cảm biến áp suất và nhiệt độ không khí Điện áp từ khối mạch đo tín hiệu analog sẽ được đưa đến các ngõ vào analog của vi điều khiển

Các IC op-amp LM358 được sử dụng trong khối mạch này vì giá thành thấp, thông dụng, độ trôi nhiệt thấp, sử dụng nguồn đơn

Các cặp điện trở và tụ điện R14 – C9, R15 – C10, R29 – C5, R12 – C7, R13 – C8 tạo thành các mạch lọc thông thấp, triệt tiêu các nhiễu điện từ

U2B LM358

5 6

7

+ -

V-OUT

C5 0.1u

+8V

C10 0.1u

R33 100k

Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 17

AIN1

U3B LM358

4.3.2.3 Mạch xuất tín hiệu analog

Chức năng: tạo tín hiệu điện áp analog 0…+5VDC tỉ lệ với kết quả 0 100% toàn tầm đo

Vi điều khiển phát ra chuỗi xung điều rộng (PWM – pulse width modulation) với độ rộng xung (duty cycle) tỉ lệ với điện áp ngõ ra mong muốn Chuỗi xung điều rộng được chuyển thành tín hiệu analog nhờ mạch lọc thông thấp R16 – C17 Mạch đệm điện áp dùng IC op-amp LM358 được dùng để phối hợp trở kháng với mạch đo bên ngoài

+PWM3/-INJ1

C17 0.1u

U4B LM358

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu analog

4.3.2.4 Mạch đọc/xuất tín hiệu digital

Chức năng: đọc/xuất tín hiệu digital theo mức điện áp TTL để mở rộng tính năng của bộ đo

IC 74HC24 được sử dụng trong khối mạch này vì giá thành thấp, thông dụng, dễ dàng tạo ra 04 kênh đọc digital và 04 kênh xuất digital

Dãy đèn LED được sử dụng để báo trạng thái của các ngõ vào và ra digital này

DO2

INT1 DIO5 DO1 +PWM2/+DAC2/DIO3

DO0

U5 74HC245 2

4 6 8

19 1

18 16 14 12

A0 A2 A4 A6

OE DIR

B0 B2 B4 B6

xINT2

+5V

INT2 xINT1

Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 18

4.3.2.5 Mạch vi điều khiển đa năng

Chức năng: đọc tín hiệu analog từ khối mạch đo analog, tính toán – xử lý, xuất kết quả ra ngõ ra

analog và giao tiếp với thiết bị khác (kể cả PC) bằng chuẩn RS232

Vi điều khiển dsPIC30F4011 được sử dụng vì tính thông dụng, tích hợp sẵn các module biến đổi analog-to-digital 16bit, module điều rộng xung vuông (PWM) 15bit, tốc độ xử lý nhanh (max 40MIPS), hỗ trợ xử lý tín hiệu số Thực tế, có thể sử dụng các vi điều khiển khác có giá thành thấp hơn, tài nguyên ít hơn, vừa đủ dùng cho bộ đo lưu lượng không khí Tuy nhiên, vi điều khiều sử dụng trong

bộ đo này được gia công trên 1 board đa năng do PTNTĐ Động Cơ Đốt Trong phát triển, dễ dàng sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau khi được kết hợp với các khối mạch thích hợp, và bộ đo lưu lượng không khí là một trong những ứng dụng như vậy

Hình 4.12 Sơ đồ bố trí linh kiện trên bo mạch bộ đo

Hình 4.13 Bo mạch điều khiển của bộ đo được chế tạo

Chương 4: Thiết kế bộ đo lưu lượng không khí bằng phương pháp chênh áp 19

Chương 5: CÂN CHUẨN VÀ ĐÁNH GIÁ BỘ ĐO LƯU LƯỢNG

Để cân chuẩn thiết bị đo dùng phương pháp so sánh với vật chuẩn Thực hiện tại Phòng Thí

Nghiệm Trọng Điểm Động Cơ Đốt Trong – Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

20

5.1.1 Thiết bị cân chuẩn

1 Bộ đo lưu lượng mới chế tạo (đặt tên: Bộ đo LTAFM) có gắn van để đóng mở như cánh bướm ga của động cơ

2 Bộ đo lưu lượng chuẩn (sensy flow P) của hãng ABB Đây là bộ đo lưu lượng kiểu dây nhiệt cho phép xác định lưu lượng khối lượng có tầm đo từ 0 ÷ 750 kg/h Từ lưu lượng khối lượng của bộ đo ABB, khối lượng riêng và nhiệt độ của không khí sẽ giúp xác định lưu lượng thể tích của bộ đo LTAFM

3.Quạt hút gió chuyên dụng, có gắn biến tần để điều chỉnh tốc độ quạt hút nhằm điều chỉnh lưu lượng hút

4 Máy vi tính để lấy tín hiệu từ bộ đo LTAFM thông qua cổng RS232

5 Xe DAEWOO Lanos và Bệ thử Động lực học ô tô, để kiểm tra và đánh giá tính năng thực tế của

bộ đo

Hình 5.1 Sơ đồ thực nghiệm cân chuẩn bộ đo lưu lượng không khí

Hình 5.2 Sơ đồ thực bộ đo lưu lượng không khí trên xe Daewoo Lanos