Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ đo chi phí nhiên liệu điều khiển điện tử cho phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực

- 1 -
LỜI NÓI ĐẦU
Trong xu thế hiện nay, nền kinh tế thị trường việc nâng cao chất lượng công
nghiệp đóng vai trò quang trọng. Để đạt được mục đích ấy đòi hỏi phải có những con
người hiện đại làm chủ được mọi công nghệ và nơi sản sinh ra những con người đó là
các trường đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp và các trường dạy nghề.
Để theo kịp thời đại công nghệ, trường Đại Học Nha Trang đã không ngừng nâng
cao chất lượng dạy và học, đồng thời không ngừng nâng cấp trang thiết bị hiện đại cho
các phòng thí nghiệm.
Để đáp lại sự quan tâm của nhà trường đối với Bộ môn, Bộ môn Động lực thuộc
Khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy đã giao cho tôi thực hiện đề tài:“ Nghiên cứu thiết kế chế
tạo bộ đo chi phí nhiên liệu điều khiển điện tử cho phòng thí nghiệm Bộ môn
Động lực ”
Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm :
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐO CHI PHÍ NHIÊN LIỆU
Chương 2 : CHƯƠNG 2 : PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐO
CHI PHI NHIÊN LIỆU
Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐO CHI PHÍ NHIÊN LIỆU
Chương 4 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
Trong thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót vì vậy tôi rất mong
nhận được sự góp ý của quý thầy cùng các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các phòng ban trong nhà trường cùng các bậc đàn anh
đã hỗ trợ tôi hoàn thành đề tài này. Đặt biệt tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Th.s
Đoàn Phước Thọ đã theo sát , hướng dẫn tận tình khi tôi thực hiện đề tài.
- 2 -
ĐẶT VẤN ĐỀ
Mục đích, ý nghĩa của việc đo chi phí nhiên liệu.
Trong tổ chức vận hành động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu là một thông số quan
trọng đánh giá chất lượng và hiệu quả sử dụng động cơ. Bản thân giá trị thông số này
mang rất nhiều thông tin quan trọng mà qua đó đánh giá được tình trạng kỹ thuật động
cơ, chất lượng vận hành, hiệu quả tổ chức khai thác,…vv.

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g
e
được xác định theo công thức:
Ne
G
g
e
=
Ở đây:
G- lượng chi phí nhiên liệu trong một giờ, kg/h.
Ne- công suất có ích.
Mặt khác để đánh giá hiệu suất có ích của động cơ
e
η
khi biết nhiệt trị thấp của
nhiên liệu Q
H
và suất tiêu hao nhiên liệu có ích g
e
. Có thể xác định hiệu suất có ích
e
η
của động cơ bằng công thức sau:
He
e
Qg .
632
=
η
Như vậy muốn đánh giá tính kinh tế của động cơ thông qua g

e
và hiệu suất có ích
e
η
không có cách nào khác là phải đo lượng tiêu thụ của nhiên liệu G.
Mặt khác, đo lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ còn nhằm đánh giá trạng thái
kỹ thuật của động cơ, trạng thái kỹ thuật của các hệ thống phục vụ như hệ thống nhiên
liệu, làm mát, dầu nhờn… trạng thái kỹ thuật của vỏ tàu và chân vịt, trên cơ sở các số đo
ấy mà có biện pháp khắc phục những trục trặc của động cở và các hệ thống phục vụ nó.
- 3 -
Sự cần thiết của của bộ đo chi phí nhiên liệu tại phòng thí nghiệm Bộ môn Động
lực.
Phòng thí nghiệm là nơi đo đạc một cách chính xác các thông số kỹ thuật của
động cơ sau khi chế tạo hoặc sau khi sửa chữa lớn nhằm mục đích lập lại hồ sơ cho máy
trong qua trình đưa vào vận hành khai thác chúng.
Những thông số được đo đạc cụ thể là:
o Công suất động cơ.
o Momen tải động cơ.
o Chế độ nhiệt của hệ thống làm mát.
o Chế độ nhiệt của hệ thống bôi trơn.
o Suất tiêu hao nhiên liệu.
o Mức tiêu hao dầu bôi trơn.
o Hệ số nạp không khí.
o Thành phần khí xả.
Qua những thông số trên tùy vào điều kiện yêu cầu mà ta có thể xác lập cho máy
những thông số cụ thể mà ta có thể áp dụng nhằm mục đích khai thác tối đa hiệu quả sử
dụng máy.
Trên thế giới, phòng thí nghiệm động cơ được xây dựng ở hầu hết các hãng sản
xuất động cơ, các nhà máy, công ty sửa chữa,… Trong những nơi ấy trang thiết bị rất
đầy đủ và hiện đại qua đó các thông số được cập nhật một cách chính xác.

Tại Việt Nam hiện nay, các phòng thí nghiệm vẫn thiếu thốn về trang thiết bị, tính
công nghệ còn rất thấp. Trong quá trình hội nhập đòi hỏi công nghệ của chúng ta phải
hiện đại, máy móc phải có tính chính xác cao.
Với mục tiêu đào tạo và nuôi dưỡng những sinh viên có chất lượng nhằm đáp ứng
với mọi nhu cầu của xã hội nói chung và ngành Thủy sản nói riêng, Trường Đại Học
- 4 -
Nha Trang đã và đang xây đựng cho riêng mình những kế hoạch mang tính đột phá về
chất lượng.
Đối với ngành động lực, tuy là một ngành có tính truyền thống của nhà trường
ngay từ những ngày đầu thành lập, nhưng trang thiết bị phục vụ cho công tác học tập vẫn
còn hạn chế. Vấn đề thực tiễn và nâng cao còn nhiều vướng mắc do thiếu thiết bị hỗ trợ
giảng dạy chuyên ngành. Sinh viên ra trường còn thiếu khả năng thích ứng với dụng cụ
kiểm tra đo đạc và máy móc hiện đại.
Chính vì lẽ đó mà cần phải có bộ đo chi phí nhiên liệu bằng thiết và các thiết bị
hiện đại khác tại phòng thí nghiệm Bộ môn Động lực.
Từ đây, phòng thí nghiệm bộ môn Động lực sẽ có bước đột phá về trang thiết bị
và công nghệ. Đối với sinh viên đây là cơ hội tốt cho việc thực tập, lĩnh hội kiến thức sẽ
nhanh chóng, và nâng cao khả năng thích ứng với trang thiết bị hiện đại, tạo bước đi
vững chắc khi vào nghề.
Tuy nhiên, do quy mô và kinh phí còn hạn chế nên trang thiết bị không được hiện
đại so với những nơi khác.
Mục tiêu của đề tài .
Qua tình hình thực tế của trang thiết bị sẵn có, sự thiếu hoàn chỉnh của một số
thiết bị đo đạc và đứng trước nhu cầu cấp thiết, vì vậy đề tài được đặt ra với mục tiêu
“Chế tạo bộ đo chi phí nhiên liệu điều khiển điện tử phù hợp nhất cho phòng thí nghiệm
động cơ Bộ môn động lực.”
Phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Trong bài toán xây dựng bộ đo chi phí nhiên liệu điều khiển điện tử phục vụ cho
nhu cầu giảng dạy của giảng viên và học tập của sinh viên, nên phạm vi nghiên cứu
thuộc quy mô nhà trường.

- 5 -
CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO CHI PHÍ NHIÊN LIỆU
Việc xác định lượng tiêu hao nhiên liệu được dựa trên các phương pháp đo sau:
o Phương pháp đo trọng lượng.
o Phương pháp đo thể tích.
1.1. Phương pháp đo thể tích.
Trong quá trình tiến hành thử nghiệm hầu hết các trường hợp người ta dùng
phương pháp thể tích. Số lượng nhiên liệu sử dụng của động cơ được đo theo sự thay đổi
mức nhiên liệu trong két đo nhờ những thiết bị đo.
Trong phương pháp đo thể tích thì có phương pháp đo mức và phương pháp đo
lưu lượng.
1.1.1. Phương pháp đo mức
a) Đo mức chất lỏng bằng tia
γ
.
Mức chất lỏng trong các bồn chứa có áp suất rất cao hay có thép chảy lỏng có thể
xác định bằng tia
γ
. Người ta chiếu trực tiếp tia
γ
của một chất phóng xạ lên trên bồn
chứa và có độ suy giảm của tia
γ
sau khi đi qua bồn chứa.
b) Xác định mức chất lỏng bằng cách đo áp suất
Chất lỏng trong một bồn chứa không chịu tác dụng dưới một áp suất cho ta áp
suất dưới đáy bồn p
h
, như thế người ta có thể xác định mức chất lỏng.

p
h
=
ρ
.g.h
⇒

g
p
h
h
.
ρ
=

⇒
V = S.h
ρ
là tỉ trọng chất lỏng.
g là gia tốc trọng trường.
h là chiều cao của chất lỏng.
S là diện tích mặt cắt ngang của bồn chứa.
c) Đo mức chất lỏng bằng nhiệt điện trở PTC.
- 6 -
Mức chất lỏng ( xăng, dầu…) có thể kiểm soát bằng điện trở PTC. Điện trở PTC
được nối tiếp với một điện trở R và cả hai chịu dưới một điện áp 24V. Sự thay đổi điện
trở PTC làm dòng điện thay đổi theo. Kết quả là đo được mức chất lỏng có trong bình
chứa.
d) Đo mức bằng quang điện tử.
Một LED hồng ngoại phát tia sáng theo một thanh thủy tinh và đến đầu vạt nhọn

của thanh thủy tinh nó bị phản xạ và chiếu lên một photodiot. Trong trường hợp đầu
nhọn của thanh thủy tinh được bao quanh bởi môi trường chất lỏng, do sự sai biệt chiết
suất giảm đi, ánh sáng được phát ra môi trường nhiều hơn, photodiot nhận ra ít ánh sáng
hơn. Điện áp rơi trên photodiot gia tăng, một bộ so sánh sẽ làm transistor dẫn điện. Khi
tín hiệu được truyền đến vi xử lý ta sẽ biết được mức nhiên liệu có trong bồn chứa.
e) Đo mức chất lỏng với sóng vi ba.
Sóng vi ba là sóng có tấn số trải dài từ 300 kHz đến 300 GHz. Với tần số 10 GHz
sóng vi ba có chiều dài sóng khoảng 30 mm. Để đo mức chất lỏng ta cần một phần phát
và một phần thu sóng vi ba với hệ thống FMCW ( Frequency Modulated Continuos
Wave). Trong hệ thống này tần số được biến điệu trong X-Band từ 8,5 GHz đến 9,5
GHz. Một radar phát đi tín hiệu vi ba được biến điệu tần số tuyến tính với biên độ cố
định. Tín hiệu này được phản hồi từ mặt chất lỏng. Tín hiệu phản hồi được thu lại sau
thời gian t
0
được trộn với một phần của tín hiệu phát. Tần số giữa (hiệu số tần số) được
lọc và tần số này tỉ lệ trực tiếp với thời gian t
0
, do vậy nó là thước đo chính xác khoảng
cách đến môi trường cần đo. Từ đây ta có thể đo được mức chất lỏng.
f) Xác định mức chất lỏng bằng sự dẫn nhiệt.
Một dây điện trở được quấn bên trong một cột có chứa chất dẫn nhiệt và được đặt
vuông góc với mặt cắt ngang của bồn chứa. Một dòng điện cố định nung nóng dây điện
trở này. Dây điện trở có 2 vai trò : dây nung và cũng là cảm biến nhiệt. Điện trở của dây
nung tùy thuộc vào cảm biến chung quanh và điều kiện dẫn nhiệt của môi trường. Với
- 7 -
điện thế Usens và cường độ dòng điện ta có được của dây nung. Điện trở suất của kim
loại tùy thuộc tuyến tính vào nhiệt độ, trong một khoảng nhiệt độ khá rộng.
)](1[
00
TTRR

−+=
γ
Lúc ban đầu dây nung có cùng nhiệt độ với môi trường bên ngoài. Khi nung nhiệt
độ dây nung gia tăng và như thế điện trở dây nung cũng tăng, công suất nung cũng tăng
do sự dẫn nhiệt qua môi trường xung quanh có một trị số giới hạn.
National Semiconductor Corp đã phát triển IC LM1042 dùng để xác nhận mức chất lỏng
bằng sự dẫn nhiệt.
21
)(
V
L
LL
V
L
L
V
AA
∆
−
+∆=∆
V
∆
là điện áp qua điện trở.
L là mức chất lỏng ban đầu.
L
A
là mức chất lỏng mất đi.
1.1.2. Phương pháp đo lưu lượng, sau đó cộng dần.
Theo phương pháp đo lưu lượng ta có thể tính được thể tích trên một đơn vị thời
gian:

tQV
v
.
=
V là thể tích cần tính (m
3
).
Q
V
là lưu lượng tính bằng thể tích trên một đơn vị thời gian (m
3
/s).
t là thời gian chất lỏng chảy qua tiết diện (s).
a) Đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi
Nguyên lý làm việc
Một trong những phương pháp khá phổ biến để đo lưu lượng chảy trong đường ống
là hiệu áp suất hai bên thiết bị thu hẹp. Thiết bị thu hẹp đóng vai trò cảm biến đo, được
đặt trong đường ống tạo nên điểm thắt dòng chảy cục bộ trong đường ống dẫn. Tại vùng
đặt thiết bị thu hẹp sẽ có hiện tượng chuyển đổi thế năng sang động năng của dòng chảy.
- 8 -
Hai bên thiết bị thu hẹp xuất hiện áp suất ΔP phụ thuộc vào lưu lượng của dòng chảy.
Giá trị ΔP = P
1
– P
2
gọi là hiệu áp suất do thiết bị thu hẹp tạo ra (H.2-1).
Khi chất lỏng không bị nén, công thức tính lưu lượng có dạng:
).(
2
..

210
PPFq
−=
ρ
α
(m
3
/s)
Khi chất lỏng bị nén, công thức tính lưu lượng là :
).(
2
...
210
PPFq
−=
ρ
εα
(m
3
/s)
Trong đó : α : là hệ số lưu lượng (phụ thuộc vào các tỷ số về diện tích của
dòng, của ống và tổn thất áp suất).
ε : là hệ số nén (đặc trưng cho tính chất thay đổi thể tích chất
lỏng khi áp suất thay đổi).
ρ : là mật độ dòng chảy (kg/m
3
).
H.1-1: Sơ đồ dòng chảy và phân bố áp suất trên thành ống
- 9 -
H.1-2 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo lưu lượng

Hệ thống đo lưu lượng
Hệ thống đo lưu lượng theo độ giảm áp thay đổi bao gồm : thiết bị thu hẹp để
chuyển tín hiệu lưu lượng sang tín hiệu áp suất, thiết bị chuyển đổi tín hiệu áp suất sang
dạng tín hiệu cần thiết thích hợp với thiết bị chỉ thị đo, thông thường nó là tín hiệu điện
và phần tử cuối cùng là thiết bị chỉ thị đo.
H.1-3 : Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống đo lưu lượng hiện đại
- 10 -
H.2-3 mô tả sơ đồ khối cấu trúc hệ thống đo lưu lượng hay được sử dụng hiện nay.
Cấu trúc của nó bao gồm : cảm biến đo là thiết bị thu hẹp chuyển tín hiệu lưu lượng q
sang hiệu áp suất ΔP. Thiết bị chuyển đổi II chuyển tín hiệu hiệu áp suất ΔP sang tín
hiệu dòng chuẩn điện áp một chiều (0÷5mA; 0÷20mA; 4÷20mA). Phần tử III là bộ xử lý
tín hiệu, thực hiện chức năng đầu tiên là chuyển tín hiệu dòng nhận được sang tín hiệu
áp chuẩn (0÷5V hoặc 0÷10V một chiều), sau đó nó xác định giá trị lưu lượng tức thời q
trên cơ sở điện áp U và các thông số của công thức tính lưu lượng. Đồng thời nó cũng
tính tổng lượng vật chất chảy qua đường ống qua công thức tích phân :
∫
=
qdtQ
(2.13)
Các giá trị Q và q được hiển thị bằng số trên bảng số.
Ưu điểm của thiết bị này là khi truyền tín hiệu dòng, có thể truyền đi xa mà
không bị tổn thất trên đường dẫn. Nhưng nhược điểm là khi đánh giá sai số đo của hệ
thống rất phức tạp vì giá trị nhiệt độ và áp suất của dòng chảy thực khác với điều kiện
tính toán và thường phải sử dụng thêm các thiết bị hiệu chỉnh.
b) Đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi
Nguyên lý làm việc
Từ công thức
).(
2
...

210
PPFq
−=
ρ
εα
ta thấy lưu lượng của dòng chảy khi đi
qua bộ phận thu hẹp của dòng chảy tỷ lệ với căn bậc hai của hiệu áp suất hai bên bộ
phận thu hẹp và tỷ lệ bậc nhất với diện tích thoát của dòng chảy tại vị trí thu hẹp. Nghĩa
là :
PFCq
∆=
..
với C – là hệ số tỷ lệ
Như vậy, nếu tạo ra được thiết bị thay đổi được F khi q thay đổi và đảm bảo được
ΔP=const thì sẽ có mối liên hệ gần như tuyến tính giữa q và F. Lưu lượng của dòng chảy
được xác định thông qua giá trị diện tích F. Thiết bị dựa trên nguyên lý này gọi là
rôtamét.
- 11 -
Sơ đồ nguyên ý như H.2-4, là một ống hình côn 1 đặt theo phương thẳng đứng,
đáy lớn phía trên, trong ống hình côn có phao 2. Dòng chảy được dẫn từ dưới lên trên,
dưới áp lực đó phao được đẩy lên, tiết diện thoát cuả dòng chảy tăng lên, áp lực của
dòng chảy lên phao giảm xuống. Khi áp lực của dòng chảy lên phao cân bằng với trọng
lượng của phao thì phao sẽ ngừng dịch chuyển. Để xây dựng phương trình lưu lượng qua
rôtamét, ta giả sử dòng chảy qua nó là chất lỏng không bị nén. Phương trình Becnuli cho
mặt cắt dưới và trên của phao được viết:
( )
gV
d
pp
FP

b
F
n
Kv
p
FP ...
2
..
1
ρρ
−+=+

Trong đó :
F
p
, F
b
– tương ứng là diện tích mặt cắt ngang lớn nhất và mặt bên của phao.
v – là tốc độ trung bình của dòng chảy tại vòng xuyến quanh phao.
K – là hệ số trở lực giữa dòng chảy và mặt bên của phao.
n – là chỉ số phụ thuộc trở lực vào tốc độ.
ρ
p
, ρ
d
– tương ứng là khối lượng riêng của phao và của dòng chảy.
V – là thể tích của phao.
g – là gia tốc trọng trường.
Sau khi phân tích, người ta rút ra công thức tính lưu lượng của dòng chảy như sau
[8]:

1
P
2
2
P
1
q
H.1-4 : Nguyên lý rôtamét
- 12 -
gl
PP
FFvq 2
)(2
...
21
−
−
==
ρ
α
Với α : hệ số lưu lượng, phụ thuộc vào cấu trúc ống côn của rôtamét và phao.
l : chiều cao của phao
Công thức trên chỉ ra rằng: lưu lượng của dòng chảy phụ thuộc vào hai biến số α
và tiết diện vòng xuyến quanh phao F.
Hệ thống đo lưu lượng rôtamét
Cấu trúc của rôtamét rất đa dạng, nhưng có thể chia thành 2 loại : đó là loại chỉ
thị tại chỗ (rôtamét phòng thí nghiệm) và rôtamét có thiết bị chuyển đổi để truyền tín
hiệu đi xa (rôtamét công nghiệp). Ở đây chỉ giới thiệu loại thứ hai.
Rôtamét công nghiệp là cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi có
trang bị các bộ chuyển đổi sang tín hiệu điện (hoặc khí nén) để truyền đi xa. Trong đó,

phao sẽ được gắn cố định với một lõi pherit của biến áp vi sai; và ứng với một vị trí xác
định của phao sẽ cho ta một vị trí của lõi pherit hay một điện áp U
r
tương ứng của biến
áp vi sai để biểu thị lưu lượng của dòng chảy (H.2-5).
H.2-5 : Rôtamét công nghiệp
Trong đó :
1. phao;
2. thân và bệ tựa;
3. lõi từ
- 13 -
Rôtamét cũng được chế tạo với bộ chuyển đổi có tín hiệu ra là dòng chuẩn điện
một chiều 0÷5mA; 0÷20mA và 4÷20mA như Hình 2-6.
Hệ thống gồm hai phần cơ bản đó là bộ chuyển đổi chuyển sang tín hiệu dòng
chuẩn I và thiết bị chỉ thị đo II. Cảm biến đo tác động theo nguyên lý rôtamét chuyển tín
hiệu lưu lượng q sang độ xê dịch của phao X. Độ xê dịch X được bộ chuyển đổi chuyển
sang tín hiệu dòng chuẩn I và truyền cho thiết bị chỉ thị đo. Đầu vào của thiết bị chỉ thị
đo là bộ chuyển đổi tín hiệu dòng chuẩn I sang điện áp chuẩn U
r
. Tín hiệu U
r
được bộ
chỉ thị đo CTĐ sử dụng để chuyển sang chỉ số lưu lượng tức thời đo được q, đồng thời
được bộ tích phân xử lý để xác định tổng lượng vật chất chảy qua rôtamét theo công
thức
∫
=
qdtQ
.
H.1-6 : Hệ thống đo lưu lượng rôtamét có bộ chuyển

đổi sang dòng chuẩn và thiết bị chỉ thị đo
Tuy nhiên các rôtamét được chế tạo ra lại không thể chia độ bằng giải tích trên
thang đo như thiết bị thu hẹp tiêu chuẩn mà phải chia độ bằng thực nghiệm. Phần lớn các
thang chia độ của rôtamét là giá trị tương đối (tính theo %) so với giá trị cực đại. Trong
tài liệu hướng dẫn sử dụng thường chỉ rõ phương pháp chuyển đổi thang chia độ của
rôtamét sang môi trường đo thực tế theo khối lượng riêng và độ nhớt của nó.
- 14 -
c) Lưu lượng kế điện từ
Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi một ion chuyển
động cắt ngang đường sức của một từ trường thì nó sẽ chịu tác động một lực vuông góc
với chiều chuyển động của nó và đường sức của từ trường. Trong dịch thể dẫn điện có
chứa các ion dương và âm, vì vậy khi dịch thể này chuyển động trong từ trường thì các
ion dương và âm sẽ chịu lực tác động về hai hướng khác nhau làm cho chúng tách sang
hai bên đường ống và hình thành sức điện động E. Đo sức điện động này sẽ biết được
tốc độ trung bình của dòng chảy, tức là biết được lưu lượng thể tích của dòng chảy. Từ
trường ở đây có thể là từ trường một chiều hoặc từ trường xoay chiều.
Khi sử dụng từ trường một chiều, tuy không bị nhiễu do từ trường xoay chiều gây
lên, không cần nguồn cung cấp và tốc độ nhanh nhưng nhược điểm của nó là chịu ảnh
hưởng của hiện tượng phân cực sinh ra sức điện động ngược chiều với sức điện động E,
phá vỡ đặc tính chia độ của cảm biến đo, dẫn đến cảm biến làm việc không ổn định ngay
cả trong khoảng thời gian ngắn (kể cả khi sử dụng các điện cực không phân cực như
platin, graphit vv…); ngoài ra sức điện động một chiều E có nội trở rất lớn nên khó tạo
ra bộ khuyếch đại có đủ độ tin cậy cần thiết.
Người ta sử dụng hệ thống đo lưu lượng dịch thể dẫn điện tác động theo nguyên
lý điện từ với cảm biến đo sử dụng từ trường xoay chiều như H.2-10.
H.1-7: Lưu lượng kế điện từ với từ trường xoay chiều
- 15 -
Hệ thống gồm hai phần cơ bản là thiết bị sơ cấp I và thứ cấp II. Thiết bị sơ cấp I
bao gồm cảm biến đo và bộ khuếch đại cùng chuyển đổi. Cảm biến đo tác động theo
nguyên lý điện từ với từ trường xoay chiều được hình thành bởi cuộn kích từ KT và

khung dẫn từ KĐT.
Dưới tác động của dòng xoay chiều chạy qua cuộn kích từ, trong KĐT có từ
trường xoay chiều với mật độ từ trường B :
B = B
max
. sinωt
Sức điện động E hình thành giữa hai điện cực được xác định theo công thức :
E = v . D . B
max
. sinωt
Trong đó : v- là vận tốc dòng chảy
D- đường kính trong của đường ống (khoảng cách giữa hai điện cực).
Mối liên hệ giữa E và và lưu lượng q được mô tả dưới dạng :
tq
D
B
E
ω
π
sin
max
4
=
(2.26)
Tín hiệu này được khuếch đại lên và chuyển đổi sang tín hiệu dòng chuẩn điện áp
một chiều để truyền cho thiết bị thứ cấp II. Biến trở thấp R sử dụng khi hiệu chỉnh
chuyển đổi (khi dịch thể điền đầy đường ống nhưng không chuyển động thì hiệu chỉnh R
sao cho tín hiệu bằng không).Thiết bị chỉ thị đo CTĐ sẽ xử lý tín hiệu điện áp U để xác
định giá trị lưu lượng tức thời đo được. Bộ tích phân xử lý tín hiệu U để xác định giá trị
tổng lưu lượng chảy qua đường ống theo công thức

∫
=
qdtQ
.
Cần thấy rằng sử dụng từ trường xoay chiều tạo ra sức điện động xoay chiều
không triệt tiêu được hiện tượng phân cực mà chỉ giảm rất lớn ảnh hưởng của nó. Tần số
dao động của từ trường càng tăng thì ảnh hưởng của sự phân cực lên kết quả đo càng
giảm. Ảnh hưởng của sự phân cực cũng giảm nếu tăng điện trở đầu vào của bộ khuếch
đại và chuyển đổi KĐ/I.
Cảm biến đo lưu lượng bằng phương pháp điện từ có thể chế tạo để đo lưu lượng
trong đường ống có đường kính từ 10 đến 300 mm. Cấp chính xác của cảm biến là 1,5.
- 16 -
d) Đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy.
Phương pháp đo lưu lượng bằng dòng xoáy dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng
xoáy khi một vật cản nằm trong lưu chất. Các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và bị dòng
chảy cuốn đi. Với sự biến mất và xuất hiện của dòng xoáy, vận tốc dòng chảy ở hai bên
vật cản và trên đường dòng xoáy thay đổi một cách cục bộ. Tần số dao động của vận tốc
có thể đo được với nhiều phương pháp khác nhau. Nhiệt trở đun nóng được dùng đến, nó
có thể gắn phía trước, ở giữa, hay phía sau vật cản. Sự thoái nhiệt của nhiệt điện trở
thay đổi theo hướng của lưu chất. Người ta cũng có thể đo sự dao động áp suất với màng
Soc co giãn, hoặc đo đạc các dòng xoáy với sóng siêu âm.
fAa
S
Q ..
1
=
A : diện tích đường ống
a : đường kính vật cản.
f : tần số dòng xoáy.
S :tần số biến mất dòng xoáy.

H.1-8: Máy đo lưu lượng bằng dòng xoáy.
e) Phương pháp đo lưu khối với lực Coriolis.
- 17 -
Nguyên tắc: lực coriolis là lực quán tính, lực này tỉ lệ với trọng khối và vận tốc v
của vật ném, vận tốc quay của đĩa.
ω
mvF
=
Trong kỹ thuật lực Coriolis được ứng dụng để đo lưu lượng khối. Lưu chất chảy
trong một ống uốn cong, ống này được làm rung lên bằng một nam châm điện. chung
quanh trục với tần số riêng khoảng 80 Hz. Như thế chất lỏng chuyển động theo hướng
nằm ngang, gia tốc với lực Coriolis theo hướng thẳng đứng. Với bán kính của đường
cong của ống ta có momen M đối với trục.
M = rF
Với hướng ra và vô của lưu chất lỏng, momen này có lúc âm, lúc dương. Do đó ta có sự
xoắn của ống một góc α cho đến khi momen cơ học M
mech
với hằng số lò xo c : M
mech
= c.
α
Với M = M
mech
ta có thể tính được:
mm
QkQ
c
rl
.
==

ω
α
Để xác định lưu khối góc α được đo trực tiếp, hằng số tỉ lệ k chứa đựng hằng số lò xo c,
kích thước của ống cong và vận tốc quay.
Khi có được Q
m
ta có thể tính được Q
v
.
ρ
m
Q
=
v
Q
ρ
: tỉ trọng của môi trường cần đo.
f) Phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm.
Tần số siêu âm cao hơn tần số mà thính giác con người có thể cảm nhận được.
Trong kỹ thuật tần số hữu ích của siêu âm trải dài từ 20 kHz đến 10 MHz. Tần số, độ dài
sóng và vận tốc truyền sóng được liên kết với nhau
C
0
= f.λ
- Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng
Trong phương pháp này, các cảm biến siêu âm nằm cách nhau một khoảng L trong ống
dẫn có lưu chất dịch chuyển một vận tốc v. Một cảm biến phát sóng và một cảm biến thu
- 18 -
sóng, vận tốc truyền sóng được gia tăng thêm vcosα do vận tốc chảy của lưu chất,
trường hợp ngược lại nó giảm đi cùng thành phần vcosα. Với phương pháp đo sóng siêu

âm ta được vận tốc v của dòng chảy và sau khi nhận v với diện tích mặt cắt ngang của
ống ta tính được lưu lượng bằng thể tích.
a
H.1-9: Cấu trúc ống đo lưu lượng bằng siêu âm.
Nếu t
1
là thời gian truyền sóng từ cảm biến 1 đến cảm biến 2 và t
2
thì ngược lại:
α
cos
0
1
vC
L
t
+
=
;
α
cos
0
2
vC
L
t
−
=
Ta có hiệu số thời gian truyền sóng t
2

– t
1
α
α
cos
cos
2t
2
0
2
12
vC
v
Lt
−
=−
Nếu vận tốc chảy trong chất lỏng trong khoảng m/s, thành phần vcosα có thể coi như bé
đối với C
0
trong chất lỏng và có thể bỏ đi mẫu số của phương trình trên. Vận tốc dòng
chảy v có thể được tính gần đúng:
)(
cos2
12
2
0
tt
L
C
v

−≈
α
Kết quả trên cho thấy kết quả đo vẫn còn lệ thuộc vào C
0
. Sự thay đổi của vận tốc truyền
sóng có thể làm thay đổi đến độ chính xác của phép đo. Để có thể độc lập với C
0
, t
1
, t
2
có
thể đo được riêng lẻ và nhân với nhau:
- 19 -
α
222
0
2
21
cos.
.
vC
L
tt
−
=
Thay phương trình trên vào phương trình (t
2
-t
1

):
21
2
12
.
cos.
2 tt
L
v
Ltt
α
=−
Từ đó ta được vận tốc dòng chảy v mà không cần sự tính toán gần đúng:
12
12
.
.
cos2 tt
tt
L
v
−
=
α
Để đo được thời gian truyền sóng một cách chính xác, các cảm biến siêu âm phải hoạt
động nhanh. Các cảm biến này cần phát được các sóng có sườn dốc thẳng đứng. Cả hai
cảm biến đối diện nhau phát cùng một lúc sóng siêu âm. Cả hai hoạt động đầu tiên như
nguồn phát và sau đó hoạt động như hai cảm biến thu sóng siêu âm của nhau. Vận tốc
dòng chảy được xác định rất nhanh chóng.
- Phương pháp hiệu số tần số.

Cảm biến 1 gửi đi một xung cho cảm biến 2, cảm biến 2 trả lời bằng một xung
cho cảm biến 1 và làm cho cảm biến 1 phát đi 1 xung. Tần số f
1
của cảm biến E
1
và tần
số f
2
của cảm biến E
2
được đo lần lược:
L
vC
t
f
α
cos.
1
0
1
1
+
==
L
vC
t
f
α
cos.
1

0
2
2
−
==
L
v
ff
α
cos.2
21
=−
Ta được vận tốc dòng chảy v độc lập với vận tốc truyền sóng C
0
:
)(
cos2
21
ff
L
v
−=
α
Vì tần số đo được từ một chuỗi xung, do đó phép đo mất thời gian hơn và hơn nữa do sự
phản hồi sóng siêu âm từ bọt nước, vật rắn trong chất lỏng… phép đo này bị nhiễu nhiều
hơn so với phép đo hiệu số thời gian.
- 20 -
- Phương pháp hiệu chỉnh độ dài sóng (hiệu chỉnh pha).
Với sự liên hệ C
0

= f.λ, khi vận tốc truyền sóng thay đổi, với tần số không đổi độ
dài sóng phải thay đổi.
Ta chọn tần số f
0
sao cho, với vận tốc chảy v = 0, khoảng cách giữa hai cảm biến
bằng nλ
0
. Khi v # 0 ta có C
1
= C
0
+ vcosα và C
2
= C
0
– vcosα, với tần số không thay đổi ta
có độ dài sóng:
0
1
1
f
C
=
λ
;
0
2
2
f
C

=
λ
Với phương pháp hiệu chỉnh pha, tần số siêu âm được thay đổi sao cho phù hợp với vận
tốc dòng chảy, ta luôn có nλ
0
là khoảng cách L giữa hai cảm biến. Độ dài sóng λ
0
được
giữ cố định, do đó với hai hướng truyền sóng khác nhau ta có:
0
1
1
λ
C
f
=
;
0
2
2
λ
C
f
=
0
00
0
21
cos.2
) vcos C() vcos C [

1
λ
α
αα
λ
v
ff
=−−+=−
Cho ta vận tốc dòng chảy v độc lập đối với vận tốc sóng siêu âm C
0
:
)(
cos2
21
0
ffv
−=
α
λ
Phương pháp này cho ta kết quả chính xác nhất trong 3 phương pháp đo lưu lượng bằng
siêu âm.
g) Các phương pháp đo lưu lượng cổ điển.
- Cánh quạt.
Phương pháp đơn giản nhất để đo vận tốc hay hay lưu lượng tính bằng thể tích
trên đơn vị thời gian của khí là cánh quạt. Trục xoay có thể nằm thẳng đứng hay nằm
ngang. Điều kiện cần là lực ma sát không có hay rất bé. Sự biến đổi vận tốc quay thành
- 21 -
tín hiệu điện được thực hiện với công tắt ánh sáng. Tín hiệu đo được biến thành tần số
xung được xử lý dễ dàng với kỹ thuật số. Nhược điểm của phương pháp này là cánh quạt
có một trở lực đối với dòng khí không nhỏ đưa đến sự hao hụt áp suất, ngoài ra còn có

sự mài mòn nơi điểm tựa của trục theo thời gian và trường hợp trong khí có bụi,…
Để thích hợp cho việc đo lưu lượng của chất lỏng, hình dạng của cánh quat bị biến tướng
thành hình dạng xoắn ốc.
- Máy đếm thể tích với học chứa chất lỏng chuyển động
Đặc điểm của loại máy đếm này dựa trên sức nặng của chất lỏng. Máy đếm loại
này dùng để do thể tích nước ngưng tụ. Trọng tâm của các học chứa chất lỏng bị dịch
chuyển dần khi mực chất lỏng gia tăng. Đến một mức nào đó, vị trí của học trở nên mất
ổn định và chuyển động nghiêng, chất lỏng được đổ ra. Với việc đếm chuyển động
nghiêng ta có thể tính được thể tích của lưu chất.
H.1-10: Máy đếm thể tích
- Đồng hồ nước với cánh quạt
- 22 -
H.1-11: Đồng hồ nước
1.2. Phương pháp đo trọng lượng.
1.2.1. Xác định mức chất lỏng bằng cách đo khối lượng.
Để xác định mức chất lỏng có trong bồn chứa người ta có thể cân khối lượng bồn
chứa chất lỏng, từ đó có thể xác định thể tích chất lỏng mất đi.
ρ
1
m
V
=
V

là thể tích có trong bồn chứa.
m
1
là khối lượng bồn chứa có chứa chất lỏng.
ρ
là khối lượng riêng của chất lỏng.

1.2.2 Xác định mức chất lỏng bằng cách đo trọng lượng.
Để xác định mức chất lỏng trong các bồn chứa người ta có thể dùng cách cân
trọng lượng. Bồn chứa có thể được đặt lên trên một hoặc nhiều hộp đo lực với hiệu ứng
đàn hồi. Thể còn lại trong các bồn chứa được xác định theo công thức sau:
γ
G
V
=
Trong đó : V : thể tích cần đo.
G : trọng lượng của khối chất lỏng.
γ
: trọng lượng riêng của khối chất lỏng.
- 23 -
Chương II
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐO CHI PHI NHIÊN LIỆU
2.1. Phân tích các phương án đo chi phí nhiên liệu.
Để lựa chọn một phương pháp đo chi phí nhiên liệu tối ưu cho phòng thí nghiệm,
cần phải xem xét và phân tích các phương án sẵn có trước đó.
2.1.1. Phương án đo mức tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng.
Sơ đồ nguyên lý :
H.2-1: Sơ đồ nguyên lý đo mức tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng
Trong đó :
1: két dự trữ nhiên liệu 6: két thí nghiệm
2: đường cấp nhiên liệu 7: cân đo nhiên liệu
3: két nhiên liệu hằng ngày 8: đường cấp nhiên liệu cho máy
4: van khóa 9: động cơ
5: van ba ngã điều khiển tay 10: đường dầu hồi
Nguyên lý hoạt động:
- 24 -
Nhiên liệu được bơm cấp lên két trực nhật (3) theo đường dẫn (2). Tại đây nhiên

liệu đi vào động cơ(9) theo hai cách sau (van khóa đã mở) :
Theo cách 1: theo cách này, van ba ngã (5) được đưa về vị trí 1 (VT1) nhiên liệu vừa
cung cấp cho động cơ (9) vừa cung cấp cho két thí nghiệm (6).
Theo cách 2: theo cách này, van ba ngã (5) được đưa về vị trí 2 (VT2) nhiên liệu được
cung cấp từ két thí nghiệm (6) vào động cơ.
Sau khi nhiên liệu đi vào động cơ lượng nhiên liệu hồi sẽ được đưa trở lại két thí
nghiệm theo đường dầu hồi (10). Dựa vào mức nhiên liệu trong két thí nghiệm hiển thị
trên cân (7) mà ta có thể xác lập lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ khi kết hợp với
đồng hồ bấm giây.
Ưu nhược điểm:
Ưu điểm:
• Đơn giản dễ vận hành.
• Lắp đặt thuận tiện.
Nhược điểm:
• Việc vận hành và đo đạc các thông số đòi hỏi người vận hành phải có mặt
trực tiếp trong phòng động cơ.
• Không thể tự động hóa các giai đoạn được.
• Phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của cân đo và người đọc thông số.
• Vẫn phải sử dụng đồng hồ và đo thời gian bằng phương pháp thủ công dẫn
đến nhiều sai lệch.
Để đơn giản trong điều khiển người ta lấy thêm các thiết bị điều khiển từ xa
là van điều khiển điện từ:
Sơ đồ nguyên lý:
- 25 -
H.2-2: Sơ đồ nguyên lý đo mức tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng van điều khiển điện
từ
Trong đó:
1: két dự trữ nhiên liệu 6: két thí nghiệm
2: đường cấp nhiên liệu 7: cân đo nhiên liệu
3: két nhiên liệu hằng ngày 8: đường cấp nhiên liệu cho máy

4: van khóa 9: động cơ
5: van ba ngã điều khiển điện từ 10: đường dầu hồi
Nguyên lý hoạt động:
Nhiên liệu được bơm cấp lên két trực nhật (3) theo đường dẫn (2). Tại đây nhiên
liệu đi vào động cơ(9) theo hai cách sau (van khóa đã mở) :
Theo cách 1: theo cách này, van ba ngã (5) được cấp điện nhiên liệu vừa cung cấp cho
động cơ (9) vừa cung cấp cho két thí nghiệm (6).
Theo cách 2: theo cách này, van ba ngã (5) không nhận được điện nhiên liệu được cấp từ
két thí nghiệm (6) vào động cơ.
Sau khi nhiên liệu đi vào động cơ lượng nhiên liệu hồi sẽ được đưa trở lại két thí
nghiệm theo đường dầu hồi (10). Dựa vào mức nhiên liệu trong két thí nghiệm hiển thị