- 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.
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.
- 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.
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
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
..
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
...
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]:
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
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
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
.
==
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
−≈
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
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
= 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
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
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
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
Copyright: Tài liệu đại học ©