Chương 1: GIỚI THIỆU Trong chương đầu của luận văn, chúng ta sẽ đi tìm hiểu những ứng dụng của bộ đo lưu lượng trong các lĩnh vực khác nhau như: trong điều khiển động cơ, thử nghiệm động cơ, và trong một số ngành công nghiệp khác. Tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu nguyên lý làm việc, phân tích ưu - nhược điểm của các bộ đo lưu lượng dựa trên các nguyên lý khác nhau và trên cơ sở phân tích đó chúng ta sẽ so sánh các phương án. Cuối cùng chọn phương án phù hợp với yêu cầu đặt ra.1 Ứng dụng của các thiết bị đo lưu lượng trên động cơ đốt trong 1.1 Ứng dụng trong điều khiển hoạt động của động cơ Động cơ đốt trong ngày nay phần lớn đều được trang bị bộ ECU (Electronic Control Unit) là bộ xử lý và điều khiển điện tử trung tâm, nhằm điều khiển toàn bộ quá trình làm việc của động cơ, như thời gian phun nhiên liệu, thời gian đánh lửa… nhằm làm tối ưu quá trình làm việc của động cơ phù hợp với từng chế độ tải. Để ECU biết được từng chế độ làm việc của động cơ đòi hỏi phải có những thiết bị đo hay còn gọi là cảm biến, trong đó thiết bị đo lưu lượng không khí nạp có vai trò quan trọng, quyết định đến lượng phun nhiên liệu của động cơ điều này ảnh hưởng trực tiếp đến công suất, tính kinh tế và tiêu hao nhiên liệu của động cơ.2 Ứng dụng trong thử nghiệm động cơ Trong thử nghiệm động cơ đốt trong, các thông số như lưu lượng không khí nạp, lưu lượng nhiên liêu vào động cơ, lượng khí lọt hay lượng khí xả ra khỏi động cơ có vai trò quan trọng.
Vì chúng sẽ giúp chúng ta tính toán và tối ưu các quá trình hoạt động cho động cơ nhằm tăng công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu cho động cơ. Do vậy, vấn đề đo lưu lượng chính xác sẽ giúp quá trình cải tiến động cơ tốt hơn. Chính vì vậy ngày nay các bộ đo lưu lượng được phát triển và cải tiến có khả năng đo lưu lượng có độ chính xác rất cao để hỗ trợ cho công tác nghiên cứu trong ngành động cơ đốt trong và một số lĩnh vực công nghiệp khác. Đề tài: “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” 2 CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ Tuy nhiên ở Việt Nam chúng ta do điều kiện kinh tế và công nghệ còn một số hạn chế cho nên chúng ta chỉ yêu cầu các bộ đo lưu lượng có kết cấu đơn giản, giá thành thấp và công nghệ chế tạo đơn giản nhưng vẫn đảm bảo được yêu cầu về độ chính xác, và độ nhạy cần thiết trong quá trình đo.2 Giới thiệu các kỹ thuật đo lưu lượng • Cơ sở chung cho các thiết bị đo lưu lượng Lưu chất là các môi trường vật chất ở dạng lỏng hoặc khí tồn tại dưới những điều kiện nhiệt độ, áp suất, thể tích được xác định bởi các định luật nhiệt động học.
Dưới tác dụng của lực bên ngoài, ví dụ sự chênh lệch áp suất, lưu chất sẽ chuyển động, chuyển động này được đặc trưng bởi dòng chảy với các thông số: vận tốc, khối lượng riêng, áp suất và nhiệt độ ở các điểm khác nhau của chất lưu, độ nhớt, độ khuếch tán nhiệt, nhiệt lượng riêng…Thông số thường cần quan tâm nhất của sự chuyển động này là vận tốc và lưu lượng của chất lưu, khi đó thường xem các thông số còn lại là không đổi. Một trong số các tham số quan trọng của quá trình công nghệ là lưu lượng các chất chảy qua ống dẫn. Lưu lượng vật chất là số lượng chất ấy chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian. Muốn nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả của hệ thống điều khiển tự động các quá trình công nghệ cần phải đo được chính xác thể tích và lưu lượng các chất.
Việc đo lưu lượng là một phần thiết yếu trong mọi quá trình công nghiệp và trong các ngành công nghệ. Đo lưu lượng đóng một vai trò vô cùng quan trọng cũng như việc đo nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng… Trong việc đo lưu lượng, ta cần phân biệt: Lưu lượng được tính bằng sự di chuyển thể tích trên đơn vị thời gian: Qv = V/t (m3/s) Lưu lượng được tính bằng sự di chuyển khối lượng trên một đơn vị thời gian: Qm = m/t (kg/s) Khi biết tỉ trọng ρ của môi trường cần đo thì hai loại lưu lượng trên được tính bằng phương trình: Đề tài: “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” 3 CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ Qm = Qv.ρ Lưu lượng tức thời: được tính theo công thức: Q = dV/ dt Với V là thể tích của chất lưu. Lưu lượng trung bình được tính theo công thức: Qtb=V.(t2-t1) Với (t2 − t1) là khoảng thời gian đo. Trong quá trình sản xuất của các ngành công nghiệp hoá chất, chế biến, điện năng… lưu lượng tính bằng khối lượng cần biết nhưng cũng khó đo đạc hơn.
Trong một hệ thống khép kín, lưu lượng tính bằng khối lượng thì cố định trong khi đó lưu lượng tính bằng thể tích thay đổi theo nhiệt độ và áp suất. Môi trường đo khác nhau được đặc trưng bằng tính chất hoá lý và các yêu cầu công nghệ, do đó mà ta có nhiều phương pháp đo lưu lượng dựa trên những nguyên lý khác nhau. Để thích ứng với các nhu cầu khác nhau trong công nghiệp, người ta đã phát triển rất nhiều phương pháp đo lưu lượng chất lỏng, hơi nước, chất khí… 1.1 Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc chênh áp 1.1 Ống Venturi - Nguyên lý làm việc: Một trong những nguyên tắc phổ biến để đo lưu lượng chất lỏng, khí và hơi là nguyên tắc đo lưu lượng dựa trên sự thay đổi áp suất như hình 1.1, khi lưu chất chuyển động qua vị trí có tiết diện hẹp sẽ làm cho vận tốc tăng lên và động thời làm cho áp suất tĩnh giảm xuống. Từ độ chênh áp đó, chúng ta có thể tính lưu lượng qua ống.
Đề tài: “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” 4 CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ D 1 D2 Doøng chaûy h Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ống Venturi - Công thức tính toán Phương trình Bernoulli : P1 v12 P v2 + + h1 = 2 + 2 + h2 + ∑ h1− 2 ρ g 2g ρ g 2g (1-1) Trong đó : P1 ; P2 : áp suất của dòng lưu chất v1 ; v2 : vận tốc của dòng lưu chất ρ : khối lượng riêng của lưu chất ∑ h1− 2 : tổn thất trên đường ống Áp dụng phương trình Bernoulli cho ống Venturi (bỏ qua tổn thất trên đường ống), ta được phương trình sau : P1 v12 P v2 + + h1 = 2 + 2 + h2 ρ g 2g ρ g 2g (1.2) Giả sử vận tốc dòng lưu chất có biên dạng đều. Theo phương trình liên tục, ta có : Q = v1 .3) Kết hợp phương trình (1.3) ta được : Đề tài: “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” 5 CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ 2 ⎛ p − p2 ⎞ v2 = .4) Lưu lượng thể tích thực tế nhỏ hơn so với lý thuyết khoảng 2 - 40% tùy thuộc theo điều kiện hình học thực tế. Chính vì vậy, phương trình (3) được viết lại với hệ số lưu lượng Cd (discharge coefficent) như sau : 2 ⎛ p − p2 ⎞ Qv = Cd .5) A2 Với Cd = (A2: là diện tích thu hẹp và A1: là diện tích của đường vào) A1 Lưu lượng khối lượng: 2 ⎛ p1 − p2 ⎞ Qm = ρ .6) Chú ý: Hệ số C d được xác định theo thực nghiệm, thường nằm trong khoảng từ 0.98 và thay đổi tùy theo hệ số Re [11] 1.2 Ống Orifice - Nguyên lý làm việc : nguyên lý làm việc của ống Orifice được thể hiện ở hình 1.2 (Tương tự như ống Venturi) Đề tài: “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” 6 CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ống Orifice - Công thức tính toán Lưu lượng qua ống Orifice: (bỏ qua tổn thất) 2 ⎛ p − p2 ⎞ Qv = v 2 .7) Hệ số vận tốc: Vthuc Cv = Vly _ thuyet Aco hep Hệ số co hẹp của ống orifice (tra theo thực nghiệm): Cc = Aorifice Hệ số lưu lượng = Hệ số vận tốc x Hệ số co hẹp: C d = C v .C c Khi đó, ta được lưu lượng tính toán như sau: 2 ⎛ p1 − p2 ⎞ Qv = Cd .1 Bảng tra hệ số lưu lượng Cd cho ống Orifice [12] Hệ số lưu lượng Đề tài: “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” 7 CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ Tỷ số Số Reynolds - Re D2 104 105 106 107 D1 0.3 Ống Nozzle - Nguyên lý làm việc : nguyên lý làm việc của ống Orifice được thể hiện ở hình 1.3 (Tương tự như ống Venturi) D1 D2 Doøng chaûy h Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý ống Nozzle - Công thức tính toán Lưu lượng qua ống Nozzle: 2 ⎛ p − p2 ⎞ ⇒ Qv = v2 .9) Lưu lượng thể tích thực tế nhỏ hơn so với lý thuyết khoảng 2 - 40% tùy thuộc theo hình dạng hình học thực tế. Chính vì vậy, phương trình trên được viết lại với hệ số lưu lượng Cd (discharge coefficent) như sau: 2 ⎛ p − p2 ⎞ Qv = Cd .10) A2 Với Cd = (A2: là diện tích thu hẹp và A1: là diện tích của đường vào) A1 Đề tài: “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” 8 CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng HVTH: Hồ Thanh Thơ Lưu lượng khối lượng: 2 ⎛ p − p2 ⎞ Qm = ρ .2 Bảng tra hệ số lưu lượng Cd cho ống Nozzle [13] Hệ số lưu lượng Tỷ số Số Reynolds - Re D2 104 105 106 107 D1 0.4 Ống Pitot - Nguyên lý làm việc Dòng khí đi qua ống Pitot sẽ được đo áp suất tĩnh và động ở những vị trí khác nhau như hình 1.
