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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HỒ THANH THƠ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
BỘ ĐO LƯU LƯỢNG KHÍ
BẰNG CƠNG NGHỆ CHÊNH ÁP
DÙNG TRONG ĐO LƯỜNG VÀ
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Chun ngành: Kỹ thuật Ơ tơ-Máy kéo

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2011


i
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :
Họ và Tên : ………………………………

Học hàm : …………………......................
Học vị : ………………………………..
Chữ ký :
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
Họ và Tên : ………………………………..
Học hàm : ………………………………..
Học vị
: ………………………………..
Chữ ký :
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
Họ và Tên : ………………………………..
Học hàm : ………………………………..
Học vị
: ………………………………..
Chữ ký :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


ii

CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày 27 tháng 10 năm 2010.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
Hồ Thanh Thơ
Ngày, tháng, năm sinh:
20/07/1980
Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô – máy kéo

Phái: Nam
Nơi sinh: Phú Yên
MSHV: 09130417

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐO LƯU
LƯỢNG KHÍ BẰNG CƠNG NGHỆ CHÊNH ÁP DÙNG
TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1.Tìm hiểu các phương pháp đo lưu lượng thể tích dựa trên độ chênh áp.
2.Mơ phỏng đặc tính làm việc của các bộ đo lưu lượng khí dựa trên độ chênh
áp trong điều kiện làm việc của động cơ đốt trong.

3.Thiết kế bộ đo lưu lượng khí dựa trên độ chênh áp phù hợp với ứng dụng trên
động cơ đốt trong. Cân chuẩn và thử nghiệm so sánh bộ đo lưu lượng khí
được chế tạo.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

10/2010

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

7/2011

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: .TS. Nguyễn Ngọc Dũng
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông
qua. Ngày ….. tháng ….. năm …
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


iii
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

LỜI CẢM ƠN
-------------

Suốt thời gian học cao học tại trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh tác
giả đã lĩnh hội nhiều kiến thức quý báu của Thầy Cô, làm cơ sở cho tác giả nghiên
cứu và tiếp cận thêm nhiều lĩnh vực khoa học mới. Tác giả chân thành cảm ơn đến
các cá nhân, tập thể đã hết lòng giúp đỡ tác giả hoàn thành đề tài luận văn:
- Xin cảm ơn thầy hướng dẫn - thầy Nguyễn Ngọc Dũng đã đưa ra đề tài, cho tác
giả có điều kiện tiếp xúc với một lĩnh vực nghiên cứu mới trong chuyên ngành Ơ
tơ, và đã tận tình giúp đỡ tác giả trong q trình thực hiện và hồn thành luận
văn.
- Xin cảm ơn thầy Trần Đăng Long hiện đang công tác tại Phịng thí nghiệm
trọng điểm động cơ đốt trong Trường ĐH Bách Khoa TP HCM, thầy đã hướng
dẫn liên tục trong suốt q trình phát triển hướng nghiên cứu, thầy khơng quản
ngại thời gian sớm tối để giúp đỡ tác giả hồn thành q trình thí nghiệm,thử
nghiệm, thu thập số liệu từ bộ đo mà chính thầy là tác giả trong phần chế tạo bo
mạch điều khiển. Chính sự chỉ bảo tận tình của thầy là cơ sở và cũng là nguồn
động lực lớn giúp tác giả hoàn thành luận văn.
- Xin cảm ơn các thầy đang cơng tác tại Phịng thí nghiệm trọng điểm động cơ
đốt trong Trường ĐH Bách Khoa TP HCM, cùng các cộng tác viên, nghiên cứu
viên của Phòng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tác giả trong quá trình thử
nghiệm và đo kiểm.
- Xin cảm ơn q Thầy Cơ trong Ban Giám hiệu, Phịng sau Đại học, Khoa Kỹ
thuật Giao Thông Trường Đại Học Bách Khoa đã trang bị cho tác giả những
kiến thức nền tảng giúp tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp.
- Xin cảm ơn Giám Đốc Công ty TNHH O.T.E.C- Ông Nguyễn Văn Lộc đã tạo
điều kiện giúp đỡ tác giả theo học lớp cao học chuyên ngành Kỹ thuật Ơ tơ-máy

kéo trong thời gian cơng tác tại cơng ty.
- Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu, Khoa Công Nghệ Ô tô của Trường Đại Học
Công Nghiệp TP.HCM, đã tạo điều kiện về thời gian cho tác giả theo học lớp
cao học chun ngành Kỹ thuật Ơ tơ-máy kéo.
- Xin cảm ơn những ý kiến thiết thực chân tình của thầy phản biện đã giúp tác
giả hoàn thiện nội dung luận văn này.
- Xin cảm ơn gia đình và vợ con đã động viên, tạo điều kiện về mặt tinh thần và
vật chất cho tác giả từ lúc theo học cao học đến khi hoàn thành luận văn cao
học.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2011
Học viên

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


iv
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, thiết bị đo được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác
nhau. Đặc biệt là lĩnh vực động cơ đốt trong, tất cả các thông số như: lượng khơng
khí nạp, lượng nhiên liệu, lưu lượng khí lọt, lượng khí xả…có tầm quan trọng nhất
định giúp chúng ta điều khiển hay thử nghiệm động cơ ngày càng hiệu quả hơn.
Khi chúng ta đã xác định được mức độ và tầm quan trọng của việc đo lường
này, có thể tương đối dễ dàng để chọn một được một thiết bị đo lưu lượng để đáp
ứng nhu cầu của chúng ta, ví dụ như cơng nghệ đo chênh áp (Differential Pressure),
công nghệ đo kiểu từ trường (Magnetic), công nghệ 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 nữa hiện có mặt
trên thị trường.
Việc sử dụng các cơng nghệ có độ chính xác cao như: ống Coriolis, cơng
nghệ dây nhiệt, cơng nghệ siêu âm… có giá thành cao hơn nhiều so với công nghệ
chênh áp như: ống Venturi, ống Pitot, ống Orifice…Hơn nữa, một trong những ưu
điểm của công nghệ chênh áp là trong hệ thống khơng có bộ phận di chuyển nên
khơng cần phải thường xun bảo trì và kết cấu đơn giản. Tuy nhiên, một khuyết
điểm của các thiết bị sử dụng công nghệ chênh áp là bị giới hạn về tầm đo.
Cuối cùng, mục tiêu của đề tài là tập trung nghiên cứu và chế tạo ra một
thiết bị đo lưu lượng có độ chính xác, độ nhạy chấp nhận được trong quá trình sử
dụng, dễ gia công chế tạo và đặc biệt là giá thành thấp hơn nhiều so với các thiết bị
khác.
Với sự trợ giúp của cơng cụ tính tốn bằng phần mềm mơ phỏng ANSYS
FLUENT VÀ ANSYS CFX sẽ giúp chúng ta tiết kiệm được thời gian và tiền bạc
trong việc tìm ra các phương án chế tạo tối ưu và đem lại hiệu quả cao nhất cho việc
nghiên cứu trong tương lai.

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


v
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ.........................................................................ii 
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii 

TÓM TẮT LUẬN VĂN ...........................................................................................iv 
MỤC LỤC HÌNH .................................................................................................. viii 
MỤC LỤC BẢNG ....................................................................................................xi 
Chương 1: 

GIỚI THIỆU......................................................................................1 

1.1  Ứng dụng của các thiết bị đo lưu lượng trên động cơ đốt trong ...................1 
1.1.1 

Ứng dụng trong điều khiển hoạt động của động cơ.........................1 

1.1.2 

Ứng dụng trong thử nghiệm động cơ...............................................1 

1.2  Giới thiệu các kỹ thuật đo lưu lượng.............................................................2 
1.2.1 

Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc chênh áp .....3 

1.2.2 

Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiệt ...........9 

1.2.3 

Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ khí .......11 

1.2.4 

Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên các nguyên lý khác .....13 

1.2.5 

So sánh các phương án đo lưu lượng dựa trên nguyên lý chênh áp
......................................................................................................20 

1.3  Mục tiêu của luận văn..................................................................................21 
1.3.1 

Mục tiêu .........................................................................................21 

1.3.2 

Tóm tắt sơ bộ nội dung thực hiện của luận văn .............................21 

Chương 2: 

CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT BỊ ĐO ............................................23 

2.1  Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo. .................................................................23 
2.1.1 

Độ tin cậy của thiết bị đo. ..............................................................23 

2.1.2 

Các đặc tính cơ bản của phương tiện đo. .......................................24 

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


vi
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

2.1.3 

HVTH: Hồ Thanh Thơ

Cấu trúc cơ bản của phương tiện và hệ thống đo lường. ...............26 

2.2  Phương pháp đo. ..........................................................................................28 
2.3  Sai số của phép đo và gia công kết quả.. .....................................................29 
2.3.1 

Sai số của phép đo..........................................................................29 

2.3.2 

Gia công kết quả đo .......................................................................31 

Chương 3: 

CHỌN PHƯƠNG ÁN .....................................................................34 

3.1  Yêu cầu kỹ thuật ..........................................................................................34 
3.2  Chọn phương án thiết kế..............................................................................34 
3.2.1 

Điều kiện mô phỏng.......................................................................40 

3.2.2 

Kết quả mô phỏng và nhận xét ......................................................41 

Chương 4: 

THIẾT KẾ KỸ THUẬT .................................................................66 

4.1  Thiết kế kỹ thuật ống Venturi......................................................................66 
4.2  Thiết kế kỹ thuật hệ thống đo điện tử cho ống Venturi...............................66 
4.2.1 

Thiết kế kỹ thuật phần cứng cho hệ thống điện tử.........................66 

4.2.2 

Thiết kế kỹ thuật phần mềm cho hệ thống điện tử.........................68 

Chương 5: 

THIẾT KẾ CƠNG NGHỆ..............................................................69 

5.1  Thiết kế cơng nghệ ống Venturi ..................................................................69 
5.1.1 

Vật liệu chế tạo và phương pháp gia công.....................................69 

5.1.2 

Bản vẽ lắp ống Venturi ..................................................................70 

5.2  Thiết kế công nghệ hệ thống điện tử cho ống Venturi ................................71 
5.2.1 

Chọn cảm biến đo chênh áp ...........................................................71 

5.2.2 

Thiết kế mạch điều khiển điện tử cho bộ đo lưu lượng khơng khí
nạp.................................................................................................72 

5.2.3 

Sơ đồ bố trí linh kiện trên bo mạch điều khiển của bộ đo .............76 

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


vii
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

5.3  Sai số và hiệu chuẩn thiết bị đo ...................................................................77 
5.3.1 

Sai số ..............................................................................................77 

5.3.2 

Cân chỉnh (calibration). .................................................................77 

Chương 6: 

CÂN CHUẨN-KIỂM TRA-ĐÁNH GIÁ BỘ ĐO .........................79 

6.1  Cân chuẩn bộ đo ..........................................................................................79 
6.1.1 

Phương pháp thực hiện ..................................................................79 

6.1.2 

Vị trí thực hiện ...............................................................................79 

6.1.3 

Thiết bị sử dụng .............................................................................79 

6.1.4 

Các bước thực hiện ........................................................................80 

6.2  Kiểm tra - đánh giá bộ đo chế tạo- LTAFM................................................83 
6.2.1 

Độ chính xác trên tồn dải đo. ......................................................83 

6.2.2 

Độ chính xác ở một mức đo...........................................................85 

6.3  Đánh giá độ nhạy của bộ đo chế tạo-LTAFM.............................................87 
6.3.1 

Đánh giá độ nhạy của bộ đo khi gắn trên mơ hình thí nghiệm ......87 

6.3.2 

Đánh giá độ nhạy của bộ đo khi gắn trên xe Daewoo Lanos.........88 

Chương 7: 

KẾT LUẬN ......................................................................................95 

7.1  Kết luận........................................................................................................95 
7.2  Hướng phát triển của đề tài .........................................................................95 
Chương 8: 

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................97 

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


viii

CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ống Venturi ........................................................................4 
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ống Orifice.........................................................................6 
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý ống Nozzle .........................................................................7 
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý ống Pitot ............................................................................8 
Hình 1.5 Thiết bị đo lưu lượng bằng dây nhiệt...........................................................9 
Hình 1.6 Thiết bị đo lưu lượng kiểu tua – bin [7].....................................................11 
Hình 1.7 Mơ hình phân tích lực ................................................................................12 
Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý đo kiểu Karman ...............................................................13 
Hình 1.9 Quan hệ giữa hệ số K và số Reynolds........................................................14 
Hình 1.10 Sơ đồ ngun lý ống Coriolis ...................................................................15 
Hình 1.11 Góc xoắn của ống Coriolis ......................................................................16 
Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo kiểu điện từ ...................................................17 
Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo lưu lượng kiểu phao .....................................18 
Hình 2.1 Mơ tả cấu trúc phương tiện đo...................................................................26 
Hình 2.2 Mơ tả cấu trúc hệ thống đo lường..............................................................27 
Hình 3.1 Giao diện phần mềm Ansys CFX ...............................................................35 
Hình 3.2 Giao diện phần mềm Ansys Fluent ............................................................36 
Hình 3.3 Mơ hình khối lưu chất ống Venturi ............................................................36 
Hình 3.4 Mơ hình lưới ống Venturi...........................................................................37 
Hình 3.5 Mơ hình khối lưu chất ống Orifice.............................................................37 
Hình 3.6 Mơ hình lưới ống Orifice ...........................................................................37 
Hình 3.7 Mơ hình khối lưu chất ống phân kỳ - hội tụ ...............................................38 
Hình 3.8 Mơ hình lưới ống phân kỳ - hội tụ..............................................................38 
Hình 3.9 Mơ hình khối lưu chất ống Nozzle .............................................................38 
Hình 3.10 Mơ hình lưới ống Nozzle ..........................................................................39 

Hình 3.11 Mơ hình khối lưu chất ống phân kỳ - hội tụ + Ống Orifice .....................39 
Hình 3.12 Mơ hình lưới ống phân kỳ - hội tụ + Ống Orifice....................................39 
Hình 3.13 Mơ hình khối lưu chất ống thẳng .............................................................40 
Hình 3.14 Mơ hình lưới ồng thẳng............................................................................40 
Hình 3.15 Kết quả mơ phỏng ống Venturi ở độ chênh áp 2000 (Pa) .......................42 
Hình 3.16 Kết quả mô phỏng ống Venturi ở độ chênh áp 1200 (Pa) .......................43 
Hình 3.17 Kết quả mơ phỏng ống Venturi ở độ chênh áp 200 (Pa) .........................44 
Hình 3.18 Đồ thị đặc tính làm việc của ống Venturi ................................................44 
Hình 3.19 Kết quả mơ phỏng ống Orifice ở độ chênh áp 2000 (Pa) ........................46 
Hình 3.20 Kết quả mô phỏng ống Orifice ở độ chênh áp 1200 (Pa) ........................47 

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


ix
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng ống Orifice ở độ chênh áp 200 (Pa) ..........................48 
Hình 3.22 Đồ thị đặc tính làm việc của ống Orifice .................................................49 
Hình 3.23 Kết quả mơ phỏng ống phân kỳ-hội tụ ở độ chênh áp 2000 (Pa) ............50 
Hình 3.24 Kết quả mô phỏng ống phân kỳ-hội tụ ở độ chênh áp 1200 (Pa) ............51 
Hình 3.25 Kết quả mơ phỏng ống phân kỳ-hội tụ ở độ chênh áp 200 (Pa) ..............52 
Hình 3.26 Đồ thị đặc tính làm việc của ống phân kỳ - hội tụ ...................................53 
Hình 3.27 Kết quả mơ phỏng ống Nozzle ở độ chênh áp 2000 (Pa).........................54 
Hình 3.28 Kết quả mô phỏng ống Nozzle ở độ chênh áp 1200 (Pa).........................55 
Hình 3.29 Kết quả mơ phỏng ống Nozzle ở độ chênh áp 200 (Pa)...........................56 
Hình 3.30 Đồ thị đặc tính làm việc của ống Nozzle..................................................57 

Hình 3.31 quả mơ phỏng ống phân kỳ-hội tụ + Ống Orifice ở độ chênh áp 2000(Pa)
...................................................................................................................................58 
Hình 3.32 Kết quả mơ phỏng ống phân kỳ - hội tụ + Ống Orifice ở độ chênh áp
1200 (Pa)...................................................................................................................59 
Hình 3.33 Kết quả mô phỏng ống phân kỳ-hội tụ + Ống Orifice ở độ chênh áp 200
(Pa)............................................................................................................................59 
Hình 3.34 Đồ thị đặc tính làm việc của ống phân kỳ - hội tụ + Ống Orifice ...........60 
Hình 3.35 Kết quả mơ phỏng ống thẳng ở độ chênh áp 2000 (Pa) ..........................61 
Hình 3.36 Kết quả mô phỏng ống thẳng ở độ chênh áp 1200 (Pa) ..........................62 
Hình 3.37 Kết quả mơ phỏng ống thẳng ở độ chênh áp 200 (Pa) ............................63 
Hình 3.38 Đồ thị đặc tính làm việc của ống thẳng ...................................................64 
Hình 3.39 Đồ thị so sánh đặc tính làm việc của các phương án ..............................65 
Hình 4.1 Bản vẽ kỹ thuật ống Venturi.......................................................................66 
Hình 4.2 Sơ đồ phần cứng hệ thống đo điện tử cho ống Venturi..............................67 
Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật tính tốn hệ thống đo điện tử ........................................68 
Hình 5.1 Ống venturi được chế tạo...........................................................................70 
Hình 5.2 Bản vẽ lắp ống Venturi...............................................................................70 
Hình 5.3 Cấu tạo của cảm biến áp suất đường ống nạp...........................................71 
Hình 5.4 Đặc tuyến cảm biến áp suất đường ống nạp..............................................72 
Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ổn áp +5VDC và +8VDC.............................73 
Hình 5.6 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu từ cặp áp suất chênh áp .........74 
Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc tín hiệu cảm biến áp suất khơng khí................74 
Hình 5.8 Sơ đồ ngun lý mạch đọc tín hiệu cảm biến nhiệt độ khơng khí ..............74 
Hình 5.9 Sơ đồ ngun lý mạch xuất tín hiệu analog ...............................................75 
Hình 5.10 Sơ đồ ngun lý mạch đọc/xuất tín hiệu digital .......................................75 
Hình 5.11 Sơ đồ bố trí linh kiện trên bo mạch bộ đo................................................76 
Hình 5.12 Bo mạch điều khiển của bộ đo được chế tạo ...........................................76 
Hình 6.1 Gắn kết các thiết bị ....................................................................................80 

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ

chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


x
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

Hình 6.2 Giao diện chương trình để lấy thơng số.....................................................81 
Hình 6.3 Đặc tuyến quan hệ giữa lưu lượng Q và điện áp V ..................................82 
Hình 6.4 Đồ thị đường cong xấp xỉ V-Q ...................................................................83 
Hình 6.5 Đồ thị hàm mật độ xác suất trên toàn dải đo.............................................84 
Hình 6.6 Đồ thị hàm mật độ xác suất ở một mức lưu lượng.....................................86 
Hình 6.7 Đồ thị mơ ta sự thay đổi tức thời lưu lượng theo thời gian .......................88 
Hình 6.9 Kết nối bộ đo LTAFM vào động cơ DAEWOO Lanos...............................89 
Hình 6.10 Đồ thị tương quan giữa độ mở bướm ga và lưu lượng bộ đo khi tốc độ
động cơ 1600v/p ........................................................................................................90 
Hình 6.11 Đồ thị tương quan giữa độ mở bướm ga và lưu lượng bộ đo khi tốc độ
động cơ 2210v/p ........................................................................................................90 
Hình 6.12 Đồ thị tương quan giữa độ mở bướm ga và lưu lượng bộ đo khi tốc độ
động cơ 3800v/p ........................................................................................................91 
Hình 6.13 Đồ thị tương quan giữa lưu lượng- vị trí bướm ga-tốc độ động cơ khi xe
chuyển động ..............................................................................................................93 

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


xi
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1.1 Bảng tra hệ số lưu lượng Cd cho ống Orifice [12] ...............................6 
Bảng 1.2 Bảng tra hệ số lưu lượng Cd cho ống Nozzle [13]................................8 
Bảng 1.3 So sánh các phương án đo lưu lượng bằng công nghệ chênh áp .......20 
Bảng 3.1 Bảng thơng số của khơng khí ở 25oC..................................................40 
Bảng 3.2 Bảng điều kiện biên áp suất cho các mơ hình.....................................41 
Bảng 5.1 Bảng thành phần hóa học của thép CT3.............................................69 
Bảng 5.2 Bảng mẫu để lấy số liệu ......................................................................77 
Bảng 5.3 Bảng mẫu lấy tham số bộ đo sau khi có hàm xấp xỉị..........................78 

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


1
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

Chương 1:

HVTH: Hồ Thanh Thơ

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.
1.1 Ứng dụng của các thiết bị đo lưu lượng trên động cơ đốt trong
1.1.1 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 địi hỏi phải có những thiết bị đo
hay cịn gọi là cảm biến, trong đó thiết bị đo lưu lượng khơng khí nạp có vai trị
quan trọng, quyết định đến lượng phun nhiên liệu của động cơ điều này ảnh hưởng
trực tiếp đến cơng suất, tính kinh tế và tiêu hao nhiên liệu của động cơ.
1.1.2 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 trị quan trọng. Vì chúng sẽ giúp chúng ta tính tốn và tối ưu các q 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 q 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 cơng 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 cơng nghệ cịn 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 q trình đo.
1.2 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 ngồi, 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 thơng
số cịn lại là khơng đổi. Một trong số các tham số quan trọng của q trình cơng
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 q trình cơng 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 q
trình cơng nghiệp và trong các ngành cơng nghệ. Đo lưu lượng đóng một vai trị vơ
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 mơi 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 cơng 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 cơng thức:
Q = dV/ dt
Với V là thể tích của chất lưu.
Lưu lượng trung bình được tính theo cơng thức:
Qtb=V.(t2-t1)
Với (t2 − t1) là khoảng thời gian đo.
Trong quá trình sản xuất của các ngành cơng nghiệp hố 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 hố lý và các u cầu
cơng 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…
1.2.1 Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc chênh áp
1.2.1.1
-

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 cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


4
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

D

1

D

2

Dòng chảy

h

Hình 1.1 Sơ đồ ngun lý ống Venturi
-

Cơng thức tính tốn

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 . A1 = v 2 . A2

(1.3)

Kết hợp phương trình (1.2) và (1.3) ta được :

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


5
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

v2 =

2
⎛
A22
⎜1 − 2
A1
⎝

HVTH: Hồ Thanh Thơ

⎛ p − p2
⎞
+ g . ( h1 − h2 ) ⎟
.⎜ 1
⎞ ⎝ ρ
⎠
⎟
⎠

⇒ Qv = v 2 . A2 = A2 .

⎛ p − p2
⎞
2
+ g . ( h1 − h2 ) ⎟
.⎜ 1
2
⎛
A2 ⎞ ⎝ ρ
⎠
⎜1 − 2 ⎟
A
⎝
1 ⎠

(1.4)

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 :

Qv = Cd . A2 .

⎛ p − p2
⎞
2
.⎜ 1
+ g . ( h1 − h2 ) ⎟
2
⎛
A2 ⎞ ⎝ ρ
⎠
⎜1 − 2 ⎟
A
⎝
1 ⎠

(1.5)

A2
(A2: là diện tích thu hẹp và A1: là diện tích của đường vào)
A1
Lưu lượng khối lượng:

Với Cd =

Qm = ρ .Cd . A2 .

⎛ p1 − p2
⎞
2

.
g
.
h
h
+
−
(
)
1
2
⎜
⎟
⎛ A22 ⎞ ⎝ ρ
⎠
⎜1 − 2 ⎟
⎝ A1 ⎠

(1.6)

Chú ý: Hệ số C d được xác định theo thực nghiệm, thường nằm trong khoảng từ
0.90 ÷ 0.98 và thay đổi tùy theo hệ số Re [11]
1.2.1.2
-

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 cơng 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 ngun lý ống Orifice
-

Cơng thức tính tốn
Lưu lượng qua ống Orifice: (bỏ qua tổn thất)
Qv = v 2 . A2 = A2 .

⎛ p − p2
⎞
2
.⎜ 1
+ g. ( h1 − h2 ) ⎟
2
⎛ A2 ⎞ ⎝ ρ
⎠
⎜1 − 2 ⎟
A
1 ⎠
⎝

(1.7)

Hệ số vận tốc:
Cv =

Vthuc
Vly _ thuyet

Hệ số co hẹp của ống orifice (tra theo thực nghiệm): Cc =

Aco hep
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 tốn như sau:
Qv = Cd . A2 .

⎛ p1 − p2
⎞
2
.
g
.
h
h
+
−
(
)
1
2

⎜
⎟
⎛
A22 ⎞ ⎝ ρ
⎠
⎜1 − 2 ⎟
A1 ⎠
⎝

(1.8)

Bảng 1.1 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 cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


7
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

Số Reynolds - Re

Tỷ số
D2
D1

0.2

0.4
0.5
0.6
0.7
1.2.1.3
-

104
0.60
0.61
0.62
0.63
0.64
Ống Nozzle

105

106

107

0.595
0.603
0.608
0.610
0.614

0.594
0.598
0.603

0.608
0.609

0.594
0.598
0.603
0.608
0.609

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
Dòng chảy

h

Hình 1.3 Sơ đồ ngun lý ống Nozzle
-

Cơng thức tính tốn

Lưu lượng qua ống Nozzle:
⇒ Qv = v2 . A2 = A2 .

2
⎛
A22
−

1
⎜
A12
⎝

⎛ p − p2
⎞
+ g . ( h1 − h2 ) ⎟
.⎜ 1
⎞ ⎝ ρ
⎠
⎟
⎠

(1.9)
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:
Qv = Cd . A2 .

Với Cd =

⎛ p − p2
⎞
2
.⎜ 1
+ g . ( h1 − h2 ) ⎟
2
⎛
A2 ⎞ ⎝ ρ

⎠
⎜1 − 2 ⎟
A
1 ⎠
⎝

(1.10)

A2
(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 cơng 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:

Qm = ρ .Cd . A2 .

⎛ p − p2
⎞
2
.⎜ 1
+ g. ( h1 − h2 ) ⎟

2
⎛ A2 ⎞ ⎝ ρ
⎠
⎜1 − 2 ⎟
⎝ A1 ⎠

(1.11)

Bảng 1.2 Bảng tra hệ số lưu lượng Cd cho ống Nozzle [13]
Hệ số lưu lượng
Tỷ số

Số Reynolds - Re

D2
D1

104

105

106

107

0.2

0.968

0.988

0.994

0.995

0.4

0.957

0.984

0.993

0.995

0.6

0.950

0.981

0.992

0.995

0.8

0.940

0.978

0.991

0.995

1.2.1.4
-

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 1.4. Căn cứ vào sự sai lệch giữa áp suất tĩnh và áp suất động
chúng ta sẽ tính ra được lưu lượng vào ống Pitot.
Dòng chảy
Điểm dừng

Ps
Áp suất tónh
Pt
Áp suất
tuyệt đối
h

Hình 1.4 Sơ đồ ngun lý ống Pitot
-

Cơng thức tính tốn
Áp dụng cơng thức Bernoulli để tính vận tốc của dịng khí qua ống pitot:

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


9
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

P v2
+
+ h = Const
ρ g 2g
Vận tốc tại điểm dừng v = 0 và z1 = z2 . Khi đó ta có :
Áp suất tuyệt đối = Áp suất động + Áp suất tĩnh

(Stagnation pressure = Dynamic pressure + Static pressure)
⎛ ρ v2 ⎞
pt = ps + ⎜
⎟
⎝ 2 ⎠
⇒v=

2 ( pt − ps )

ρ

(1.12)

pt : áp suất rẽ nhánh ( áp suất tổng )
ps : áp suất tĩnh
v : vận tốc dòng
ρ : khối lượng riêng
1.2.2 Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc nhiệt
1.2.2.1
-

Thiết bị đo lưu lượng bằng dây nhiệt

Nguyên lý làm việc
Người ta dùng một dòng điện cố định để cung cấp nhiệt lượng cho đầu đo nhiệt

chủ động (Active RTD) còn đầu đo tham chiếu sẽ đo nhiệt độ của dịng mơi chất
làm giá trị tham chiếu. Khi tốc độ dịng mơi chất tăng lên thì đầu đo nhiệt chủ động
sẽ được làm mát và do đó dẫn đến ΔT sẽ giảm kéo theo ΔR và ΔU đầu ra sẽ giảm đi

Hình 1.5 Thiết bị đo lưu lượng bằng dây nhiệt
-

Cơng thức tính tốn

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


10
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

Đối với phương pháp đo bằng dây nhiệt, kết quả đo được chính xác sự thay đổi
khối lượng riêng của dòng chảy theo thời gian.
Năng lượng nhiệt do nguồn cung cấp cho dây nhiệt bằng với lượng nhiệt trao
đổi giữa dây nhiệt và lưu chất. Ta có:
I 2 .Rw = h. Aw . (Tw − T f )
(1.13)
Trong đó :
I
: dịng điện cung cấp cho dây nhiệt.
: điện trở của dây nhiệt.
Rw
Tw , Tf
:lần lượt là nhiệt độ của dây nhiệt và lưu chất.
h
: hệ số trao đổi nhiệt của dây nhiệt.
Aw
: diện tích bề mặt tiếp xúc của dây nhiệt.
Điện trở dây nhiệt được tính tốn như sau :
Rw = RRef . ⎡⎣1 + α (Tw − TRef ) ⎤⎦

α
RRef

(1.14)

: là hệ số nhiệt của điện trở.

: điện trở tham chiếu ở nhiệt độ tham chiếu
Hệ số trao đổi nhiệt h được xác định theo định luật King :

h = a + b.Vfc

TRef
(1.15)

Hệ số a, b, c là các hệ số xác định được trong quá trình hiệu chuẩn (calibration)
và c ~ 0.5
Kết hợp phương trình (1.13) và (1.15) ta được:
I 2 .RRe f ⎡⎣1 + α (Tw − TRe f ) ⎤⎦
I 2 .Rw
a + b.V =
=
Aw (Tw − T f )
Aw (Tw − T f )
c
f

(1.16)

Từ đó, ta xác định được vận tốc Vf của dòng chảy như sau:
1

⎧ I 2 .RRe f ⎡1 + α (Tw − TRe f ) ⎤
⎫c
⎣
⎦
⎪
−a⎪
⎪⎪

⎪⎪
Aw (Tw − T f )
Vf = ⎨
⎬
b
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩⎪
⎭⎪

(1.17)

Lưu lượng khi đó được xác định:

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


11
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

1

⎧ I 2 × RRe f ⎡1 + α (Tw − TRe f ) ⎤
⎫c
⎣

⎦ −a⎪
⎪
⎪⎪
⎪⎪
Aw (Tw − T f )
Q = Vf × A = ⎨
⎬ ×A
b
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪⎩
⎪⎭

(1.18)
1.2.3 Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ khí
1.2.3.1
-

Thiết bị đo lưu lượng kiểu tua-bin

Ngun lý làm việc
Khi dịng khí chạy vào sẽ va đập và cánh tua-bin làm cho cánh tua-bin quay.

Tùy theo vận tốc của dịng khí nhanh hay chậm sẽ làm cho cánh tua-bin quay nhanh
hay chậm. Trên vỏ của thiết bị có gắn cảm biến để tính số vịng quay của tua-bin và
từ đó tính ra được lưu lượng vào thiết bị

Hình 1.6 Thiết bị đo lưu lượng kiểu tua – bin [7]

1 – Mặt bích; 2 – Thân tua – bin; 3 – Cảm biến; 4 – Cánh rotor; 5 – Moay-ơ;
6 - Ổ bi; 7 – Trục rotor; 8 – Giá đỡ bộ hướng dòng; 9 – Bộ hướng dịng
-

Cơng thức tính tốn
Để đơn giản cho việc tính tốn, ta giả sử cánh có dạng thẳng và mỏng.
Nếu khơng có tổn thất về vận tốc, vận tốc góc ωi và vận tốc V của dịng lưu

chất có liên hệ với nhau qua cơng thức lượng giác :

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


12
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

r .ωi = V . tan β ⇒

ωi

=

V

tan β
r

(1.19)

Trong đó:
r : là giá trị căn bậc hai của bán kính trong và bán kính ngồi của cánh tua-bin
r=

R2 + a 2
2

(1.20)

β : là góc giữa cánh tua-bin và trục của ống.

Hình 1.7 Mơ hình phân tích lực
Bây giờ chúng ta xét đến trường hợp có xét đến tổn thất khi dịng chảy đi qua
cánh tua-bin. Theo hình trên, sự khác biệt giữa vận tốc lý tưởng V và vận tốc thực
VE tạo nên mo-men T làm quay cánh tua-bin:
R

T =∫
a

ρ AV .2π r.r. ( rωi − rω )
R2 + a2
ρ
.
dr
=
AV
.

. ( ωi − ω )
2
π ( R2 − a2 )

()

2

= ρ AV . r . (ωi − ω )
⇒ ω = ωi −

T

()

ρ AV . r

2

(1.21)

Từ phương trình (1.19) và (1.21), ta được:
ω tan β
T
V

=

r

−

()

ρ AV 2 r

2

(1.22)

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”


13
CBHD: TS Nguyễn Ngọc Dũng

HVTH: Hồ Thanh Thơ

Khi tua-bin quay tạo ra mo-men T thì đồng thời cũng có một mo-men cản tạo ra
đồng thời. Bỏ qua các đại lượng vô cùng bé, mo-men cản là tổng của lực nâng tác
dụng lên cánh:
Fd =

ρV 2Cd S

≈ 0.074Re−0.2 ρV 2 S [ 7]

2
Với Cd là hệ số cản và S là diện tích bề mặt cánh

Lúc này mo-men T được viết lại như sau:
⎛ R+a⎞
−0.2
2
T = n. ⎜
⎟ .Fd .sin β = 0.037.Re .n. ( R + a ) .ρV S .sin β
2
⎝
⎠

(1.23)

(1.24)

Với n là số cánh
Khi đó, phương trình (1.22) được viết lại như sau:
ω
V

=

tan β 0.037 Re
−
r

−0.2

.n. ( R + a ) .S .sin β

()

A. r

2

(1.25)

Cuối cùng, lưu lượng qua tua-bin được tính như sau:
Q = V .A =

()

ω . A2 . r

2

rA. tan β − 0.037 Re −0.2 .n. ( R + a ) .S .sin β

(1.26)
1.2.4 Kỹ thuật đo lưu lượng hoạt động dựa trên các nguyên lý khác
1.2.4.1
-

Ống đo lưu lượng kiểu Karman

Nguyên lý làm việc
Khi dịng khí chuyển động va chạm vào vật cản sẽ tạo thành các xoáy lốc.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo gió kiểu Karman là sẽ xác định lưu lượng di
chuyển qua ống thơng qua số lượng lốc xốy tạo ra. Khi vận tốc vào của dịng khí

càng tăng thì số lốc xốy sẽ được tạo ra ngày càng nhiều.

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý đo kiểu Karman

Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ đo lưu lượng khí bằng cơng nghệ
chênh áp dùng trong đo lường và điều khiển động cơ”