LỜi cam đoan
Tính cấp thiết của đề tài
tải về 399.99 Kb.
|
- Điều hướng trang này:
- 1.1 Khái quát về mô-men xoắn
- 1.2. Các phương pháp đo mô-men xoắn
MỞ ĐẦU1. Tính cấp thiết của đề tài Ở Việt Nam, xe gắn máy và oto là loại phương tiện giao thông khá phổ biến, đây chính là nguồn ô nhiễm lớn ảnh hưởng nhiều đến môi trường và khí quyển. Là một quốc gia đông dân số, với nền kinh tế đang phát triển, tình trạng gia tăng các phương tiện giao thông là điều không thể tránh khỏi. Nhu cầu lao động, sinh hoạt, cũng như giá thành phù hợp khiến người dân sở hữu một chiếc là điều không khó. Để đánh giá khả năng vận hành, tính cơ động của phương tiện giao thông cần phải xác định được công suất bằng cách đưa động cơ lên băng thử động cơ hoặc đưa xe lên một băng thử công suất. Tuy nhiên, để có một băng thử như vậy đòi hỏi một nguồn đầu tư rất lớn, mà với điều kiện kinh tế như hiện tại nhiều nơi chưa thể thực hiện được. Với mong muốn có thể chế tạo một thiết bị đo được công, suất nhằm so sánh công suất giữa các chủng loại xe máy và oto khác nhau với mức chi phí phù hợp, học viên đã quyết định thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp "Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát mô men xoắn của trục quay sử dụng phần mềm LABVIEW". 2. Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu về mô-men xoắn và các phương pháp đo. Làm quen với ngôn ngữ lập trình LabVIEW. Ứng dụng module NI USB 6001 truyền tín hiệu đo mô-men xoắn từ trục động cơ về máy tính để giám sát. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Phần mềm lập trình LabVIEW, module kết nối NI USB 6001, hệ thống phanh DE LORENZO DL 1019M. Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng giao diện thu thập mô-men xoắn từ trục quay của động cơ thông qua module NI USB 6001 từ hệ thống DE LORENZO DL 1019M ở quy mô phòng thí nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tổng quan về mô-men xoắn. Các loại cảm biến biến dạng, mạch đo, các phương truyền dẫn tín hiệu về máy tính. Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm LABVIEW với USB 6001 thu thập tín hiệu mô-men xoắn và xây dựng giao diện giám sát.
Chuyển động quay sinh ra mô-men xoắn xuất hiện rất nhiều trong cuộc sống. Việc đo đạc được mô-men xoắn sẽ giúp ích nhiều cho công tác nghiên cứu, chế tạo, và áp dụng những loại động cơ mới, tiên tiến, làm việc hiệu quả hơn. Nghiên cứu nhằm tăng tính kinh tế trong tiêu thụ nhiên liệu, giảm khí thải ô nhiễm do các loại động cơ đốt trong hiện nay xả ra, đang được các nhà khoa học trong nước cũng như nhiều nơi trên thế giới quan tâm.
Để giải quyết và làm rõ các vấn đề trong nghiên cứu, nội dung đề tài gồm 03 chương như sau: - Chương 1: Nghiên cứu về đo mô-men xoắn của trục quay. Giới thiệu mô-men xoắn, đưa ra những phương pháp đo. - Chương 2: Giới thiệu về phần mềm LabVIEW và module NI USB 6001. Ngôn ngữ LabVIEW, giao diện và phương pháp lập trình. Khái quát về NI USB 6001, cấu tạo, khả năng kết nối. - Chương 3: Xây dựng mô hình giám sát mô-men xoắn của trục quay ứng dụng module NI USB 6001 và phần mềm LabVIEW trên hệ thống DL 1019M. Giới thiệu về hệ thống De Lozenro dl 1019M, viết chương trình và mô phỏng.
Mô-men xoắn bắt đầu được khai sinh từ khi Archimedes khám phá ra nguyên lý hoạt động của đòn bẩy. Trong một đòn bẩy, Archimedes nhận thấy rằng độ lớn của khả năng tác động lực tỷ lệ thuận với độ lớn của lực và đồng thời tỷ lệ thuận với khoảng cách từ điểm tác dụng lực cho tới tâm quay (cánh tay đòn). Trong chuyển động quay của vật thể rắn, nếu như không tồn tại mô-men xoắn tác động lên vật, mô-men động lượng của vật thể sẽ không thay đổi theo thời gian.
Hình 1.1. Sự liên hệ giữa lực quay và mô-men xoắn 1.2. Các phương pháp đo mô-men xoắnDatum Electronics Series 430 là bộ kit dùng để đo mô-men xoắn, trên các trục với kích thước đường kính từ 30mm đến 1100mm. Thường được sử dụng để kiểm tra các mức công suất khác nhau, từ đó so sánh mức độ tiêu thụ nhiên liệu. Bộ kit còn được ứng dụng với các thử nghiệm về công suất trong quá trình lắp đặt hoặc các thử nghiệm mở rộng, để đánh giá khả năng cải thiện hoạt động của động cơ. Thường thấy trong các trục dẫn động của hệ trục tàu thủy, trục chân vịt và xe hơi, xe máy. Hệ thống cung hai kênh đo, là đo mô-men, mô-men xoắn và đo tốc độ vòng tua của trục. Từ đó ta có thể tính toán được công suất của hệ trục dẫn động. Đo lường và phân tích: Hệ thống Datum Electronics Series 430 có khả năng cung cấp thông tin để đánh giá nhiều nguồn dữ liệu và các tiêu chí khác, ngoài đo mô-men xoắn. Các dữ liệu có thể đo và phân tích bao gồm:
Hình 1.4. Bộ kit đo mô-men xoắn Datum Electronics Series 430 Hệ thống Datum Electronics Series 430 có ưu điểm chính là nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng, thuận tiện cài đặt, kiểm tra và thử nghiệm. Hệ thống cấu tạo gồm ba thành phần chính: Cảm biến, bộ phát gắn bên trên trục quay và bộ thu cố định bên ngoài có chức năng giao tiếp không dây với bộ phát. Ngoài ra còn có phần mềm cài đặt trên vi tính để thu thập dữ liệu. [3] Những tiện ích:
Theo lí thuyết thông thường công suất được xác định theo biểu thức: 
Trong đó: M: là mô-men của động cơ [ N.m] W: là tốc độ góc của trục khuỷu [ rad /s] n: là tốc độ của trục khuỷu [ vg / ph ] Mô-men động cơ Trong đó: Mt: là mô-men tải ( mô-men phanh ) [N.m]
Như vậy để xác định công suất của động cơ đốt trong ta cần xác định mô-men phanh M. Để xác định mô-men M ta có 2 phương pháp sau: 1.2.1. Dùng phanh thử công suất có cơ cấu cân bằng 
Hình 1.5. Phanh thử có cơ cấu cân bằng Nguyên tắc hoạt động của phanh thử: dựa vào mô-men ma sát được tạo ra bên trong phanh. Từ cánh tay đòn và chỉ thị trên lực kế, ta xác định được mô-men phanh. Mô-men phanh: Mph= L.P [N.m] Trong đó: L độ dài cánh tay đòn [m] P lực chỉ thị trên lực kế [N] [4]
Ta cũng sử dụng hệ thống phanh để tiêu thụ công suất của động cơ, nhưng trên cơ cấu phanh này không có cơ cấu cân bằng. 
Hình 1.6. Phanh thử không có cơ cấu cân bằng Ta có mô-men tối đa trên trục Mmax = 104,4 [N.m] Tính sơ bộ trục: Để xác định được đường kính sơ bộ trục thì ta chỉ xét đến tác dụng của mô-men xoắn trên trục, chọn d= 15 [mm] Trong đó: Mmax là mô-men xoắn lớn nhất tác dụng trên trục , Mmax= 104400 [N.m] d: đường kính của trục [mm] [4] Tính giới hạn góc xoắn trên trục Đối với những trục có đường kính không đổi, biến dạng xoắn (góc xoắn) được xác định theo công thức sau: Trong đó: G là module đàn hồi trượt, G = 0,78 . 10^5 N/mm2 J là mô-men quán tính đơn cực , đối với tiết diện tròn có đường kính d ta thu được: J=4967,58 [mm4] Do đó: Ngoài các tính toán trên cần kiểm tra độ bền mỏi của trục để đảm bảo các thông số hoạt động hiệu quả [4] Kết cấu trục xoắn
Hình 1.7. Kết cấu trục xoắn 1.2.3. Đo mô-men xoắn sử dụng bộ khuếch đại đo lường Dụng cụ được chế tạo có dạng đo mô-men dạng nối tiếp. Việc xây dựng đường đặc tuyến mô-men – biến dạng có thể thực hiện bằng hai cách. Mối tương quan mô-men xoắn – biến dạng xoắn biến dạng có thể được xác định gián tiếp thông qua việc đo mô-men xoắn – góc xoắn trên trục mẫu chịu xoắn. Thông qua việc đo góc xoắn sẽ cho phép xác định được biến dạng góc, từ đó xây dựng đường đặc tuyến mô-men – biến dạng. Tuy nhiên, đối với hầu hết các loại vật liệu, góc xoắn trong miền đàn hồi là rất nhỏ khoảng vài độ. Việc đo được góc xoắn trong miền đàn hồi của vật liệu là rất khó. Do đó, việc xây dựng đường đặc tuyến mô-men – biến dạng sẽ được xác định trực tiếp bằng cách đo biến dạng dài trên trục chịu xoắn. Theo cơ sở lí thuyết sức bền vật liệu trong xoắn thuần túy, biến dạng dài theo 2 phương 450 và 1350 là lớn nhất. Do đó, biến dạng dài ε được đo bằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục mẫu chịu xoắn. Thiết bị cảm biến strain gauge và phương pháp đo biến dạng. Strain gauge là thiết bị cảm biến dùng để xác định biến dạng của vật liệu. Biến dạng của vật liệu được xác định thông qua việc đo sự thay đổi điện trở strain gauge trên mạch cầu. Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở của thiết bị cảm biến strain gauge trên mạch cầu liên hệ theo các hệ thức sau. 
Với R là điện trở, Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở Đại lượng 1+2v đặc trưng cho sự thay đổi điện trở do sự tăng chiều dài dây và giảm diện tích dây dẫn. Độ cảm biến của vật liệu ( hay sự thay đổi điện trở trên mỗi đơn vị biến dạng ) được gọi là hệ số cảm biến biến dạng GF:[9] 
Hệ số GF thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở, thông thường GF= 1,9 ÷2,1 đối với hầu hết các loại cảm biến strain gauge. Biến dạng của vật liệu rất nhỏ, khoảng từ 2.10^-6 – 0,01, vì vậy dẫn đến yêu cầu đo được sự thay đổi điện trở không lớn hơn 1%. Việc xác định sự thay đổi của điện trở strain gauge dựa trên nguyên lí cơ bản của mạch phân áp điện trở.  Hệ thống này đo mô-me xoắn bằng việc áp dụng nguyên lý mạch cầu Wheatstone. Khác với hệ thống cũ là sử dụng cảm biến quang để đo được góc xoắn.[9]
Cấu tạo của mạch Wheatstone gồm bốn điện trở biến dạng (tenzo hoặc strain guage) được mắc như hình 1.8: 
Hình 1.8. Mạch cầu Wheatstone [9] Điện áp Vout được xác định theo hệ thức sau:
Có 
Khi chưa có biến dạng, mạch cầu cân bằng, R1 = R2 = R3 = R4 = R nên từ điện áp đầu ra trên mạch được viết như sau: 
Khi biến dạng được xác định theo công thức: 
Do trục đo chỉ chịu xoắn thuần túy khi làm việc, nên trên 2 phương 450 và 1350 biến dạng là lớn nhất. Do đó, chọn loại cảm biến đo biến dạng trục đo có dạng đo theo 2 phương vuông góc. Thiết kế mạch hiển thị, biến dạng của strain gauge khoảng từ 2.10^-6 – 0,01, điện áp đo được trên mạch cầu Wheatston rất nhỏ, khoảng vài μV. Do đó, để hiển thị và đọc được kết quả đo phải sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu đo lường để đo biến dạng. Việc xây dựng đường đặc tuyến mô-men – biến dạng – điện áp đầu ra trên mạch cầu Wheatston cho phép xác định giá trị mô-men ứng với mỗi đơn vị biến dạng, từ đó cho phép quy đổi từ giá trị biến dạng ra giá trị mô-men tương ứng. [9] M=f ( Mục đích để xây dựng bộ dữ liệu mô-men xoắn trên trục đo và điện áp đầu ra của bộ hiển thị mạch khuếch đại strain gauge. Giá trị điện áp trên mạch cầu được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại đo lường. Sơ đồ hiển thị giá trị điện áp tương ứng với sự thay đổi điện trở strain gauge dán trên trục đo như sau:
Hình 1.9. Quan hệ Mz và sự thay đổi điện áp sau khuếch đại Kết quả dùng để xây dựng đường đặc tuyến đồ mô-men – biến dạng, từ đó xây dựng bảng dữ liệu mối tương quan giữa các giá trị mô-men biến dạng dùng cho việc thiết kế mạch khuếch đại hiển thị giá trị mô-men trên trục đo khi tiến hành đo mô-men.[9] Từ dạng phương trình đường thẳng bậc nhất: y = kx, với k là hệ số góc của đường thẳng. Ta có công thức liên hệ giữa mô-men – biến dạng: 
Với E là module đàn hồi, Wp mô-men chồng xoắn, Mz momen xoắn [9]  thường trong khoảng (0,3  0,9), E trong giải (200200.102), Wp trong khoảng từ (100100.10^2).
Từ (1.12) và (1.14). Suy ra công thức liên hệ giữa điện áp ra mà mô-men xoắn: 
Với GF=2,1; Phương trình Vout = 0,546 Mz (mV) dùng để thiết kế mạch khuếch đại hiển thị giá trị mô-men tương ứng với mỗi đơn vị biến dạng trên trục đo.[9]
Hình 1.10. Sơ đồ dán 4 tenzo lên trục xoắn [4] Khi thanh chịu xoắn R1 và R3 sẽ bị kéo, R2 và R4 chịu nén. Do đó giá trị điện trở R1 và R3 tăng , còn giá trị điện trở R2 và R4 giảm xuống. Khi đó sẽ sinh ra 1 giá trị điện áp V0 tỉ lệ thuận với mô-men xoắn. Mạch đo tiến hành đọc giá trị này thông qua 1 bộ khuếch đại đo lường như hình 1.16:
Hình 1.11. Khối khuếch đại đo lường Mạch này được thiết lập bằng cách thêm một mạch khuếch đại không đảo đệm vào mỗi đầu vào của mạch khuếch đại HYPERLINK "http://vi.wikipedia.org/wiki/%E1%BB%A8ng_d%E1%BB%A5ng_m%E1%BA%A1ch_khu%E1%BA%BFch_%C4%91%E1%BA%A1i_thu%E1%BA%ADt_to%C3%A1n"viHYPERLINK "http://vi.wikipedia.org/wiki/%E1%BB%A8ng_d%E1%BB%A5ng_m%E1%BA%A1ch_khu%E1%BA%BFch_%C4%91%E1%BA%A1i_thu%E1%BA%ADt_to%C3%A1n" sai để tăng tổng trở vào. Trong các mạch đo lường thường sự dụng các bộ KĐ đo lường là mạch kết hợp các bộ lặp lại và các bộ khuếch đại điện áp Vout1 = Vin1. [1+R1 /( R2+R3)] =V1 Vout2 = Vin2. [ 1+R1/(R2+R3 )] =V2 Vout = Ura = V2 [ R5 (R4 + R5) / (R4 + R5 )R4 ] – V1( R5 / R4 ) Nếu R1 = R4 và R4 = R5 Vout = K( V2 – V1 ) và K= R5 /R4 Với R1= R3= R4= 1 K, R2 = 2 K Ta được điện áp ra Ura= 4,8 V Bộ khuếch đại được ứng dụng như bộ phân áp, nhằm thay đổi điện áp ra mong muốn. +Có hai phương án đo mô-men xoắn sử dụng bộ khuếch đại đo lường Phương án 1: Đo mô-men xoắn với tín hiệu điện áp ra được đưa vào NI-6008 gửi đến máy tính. 
Hình 1.12. Đo mô-men xoắn bằng bộ khuếch đại đo lường đưa qua NI-6001 NI – 6001: -Kết nối với cổng USB của máy tính để bàn ( Destop) hoặc Laptop. -Bộ đếm 32 bit. -Đọc 8 kênh analog vào card ( độ phân giải 14 bit, 48kS/s ). -Xuất 2 analog ( 12 bit, 150kS/s). -12 kênh xuất/nhập tín hiệu số ( digital I/O). Sử dụng phần mềm Labview, LabWindows/CVI, Measurement Studio cho Visual Studio.Net. Tương thích với NI-DAQmx driver software. [5] Phương án 2. Đo mô-men xoắn với tín hiệu điện áp ra của bộ khuếch đại được truyền tới bộ thu phát không dây. Bộ thu phát không dây cho phép thu nhận tín hiệu trong phạm khi 100m. Ta gắn bộ phát trên trục xoắn, còn bộ thu ta gắn trên mạch chính, để nhận tín hiệu và tính toán đưa về máy tính. Sử dụng hệ thống thu phát không dây ta có thể truyền nhận tín hiệu từ khoảng cách xa, loại bỏ được hạn chế về dây dẫn. Mặt khác, giải quyết được bài toàn truyền dẫn tín hiệu khi cảm biến được gắn cố định trên một trục đang quay. Ngoài ra, module thu phát này còn có thể dễ dàng tìm được trên thị trường truyền dẫn tín hiệu với nhiều chủng loại, mẫu mã đa dạng. Sau khi tính toán kết nối với cồng COM.
Hình 1.13. Module thu phát [6] ESP8266 Module WiFi Serial Transceiver Module ESP8266 Giới thiệu: Là một module truyền nhận WiFi với giá thành phải chăng dựa trên con chip ESP8266. ESP8266 là một chip tích hợp, được thiết kế ứng dụng trong chuẩn kết nối mới. Có thể đưa dữ liệu mong muốn kết nối trực tiếp tới internet. Chip này sử dụng một giao thức nối tiếp với tốc độ cao, mặc định ở 9600 Baud. Nó hoạt động như một máy chủ, hoặc một cầu nối trung gian, cho phép download dữ liệu từ internet. Chức năng:
Cổng COM: Trong đo lường nói chung, vấn đề giao tiếp kết nối giữa vi điều khiển và máy tính vô cùng quan trọng. Cổng ghép nối nối tiếp RS 232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi, kết nối giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi khác nhau. Đây là một chuẩn giao tiếp nối tiếp, dùng định dạng không đồng bộ. Có thể kết nối tối đa với 2 thiết bị. Khoảng cách lớn nhất để đảm bảo dữ liệu vẫn ổn định là 12.5m đến 25.4m. Tốc độ thông thường là 20kbit/s, có thể là 115kbit/s với một vài thiết bị đặc biệt. Trong một thời điểm, chỉ có duy nhất 1 bit tín hiệu được gửi đi dọc theo đường truyền, đây là ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp này. RS232 có hai phiên bản được lưu hành sử dụng phổ biến trong một quãng thời gian dài. Đó là RS232B và RS232C. Tuy nhiên phiên bản RS232C được sử dụng rộng rãi hơn, do phiên bản kia đã quá cũ. Chính vì vậy mà người ta gọi ngắn gọn lại là Chuẩn RS232. 
Hình 1.14. Giao tiếp máy tính qua cổng COM [4] Ở máy tính, cổng RS232 có từ một đến hai vị trí. Người ta thường gọi tắt là cổng COM. Cổng này được dùng để ghét nối cho các thiết bị ngoại vi như chuột, modem, hay dụng cụ đo lường... Trên bảng main của PC có loại là 9 hoặc 25 chân, tùy vào serie của loại main đó. Công việc thiết kế giao tiếp với chuẩn RS232 cũng vô cùng đơn giản, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động không đồng bộ kết hợp với truyền dẫn dữ liệu tốc độ thấp. Những ưu điểm của chuẩn nối tiếp RS232: + Các cổng nối tiếp ít khi bị nhiễu + Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ +3V đến 12V + Tốc độ tối đa cho việc truyền nhận dữ liệu là 100kbps + Điện dung các đầu vào nhỏ hơn mức 2500pF + Phạm vi của trở kháng tải rơi vào khoảng từ 3000 ôm đến 7000 ôm + Nếu không sử dụng model, chiều dài của cáp kết nối giữa thiết bị ngoại vi và máy vi tính không được quá 15 mét. + Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn: 50,75,110,750,300,600,1200,2400,4800,9600,19200,28800,38400....56600,115200bps. Truyền thông không đối xứng là phương thức được RS323 sử dụng. Tức là dùng tín hiệu điệp áp chênh lệch dây dẫn và đất. Vì vậy nên từ khi khai sinh, chuẩn này đã mang những điểm lỗi thời của chuẩn TTL. RS232 vẫn sử dụng các mức điện áp tương thích TTL, để báo hiệu các mức logic 0 và 1. Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn, nó cũng yêu cầu cố định các giá trị trở kháng ra của bộ phát, và trở kháng tải của bus. Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) được mô tả như sau: [7] + Mức logic 0: +3V, +12V + Mức logic 1: -12V, -3V Sơ đồ khối phương pháp đo mô-men xoắn sử dụng bộ truyền tín hiệu không dây: 
Hình 1.15. Sơ đồ khối đo mô-men xoắn bằng bộ truyền tín hiệu không dây Каталог: edata -> Uploads -> Turnitin2015 -> Luan%20van%20THS -> Luanvants Luanvants -> Tiến sỹ Mai Khắc Thành Luanvants -> LỜi cam đoan tôi xin cam đoan đây là luận văn được nghiên cứu độc lập của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực, đáng tin cậy và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào kác Luanvants -> LỜi cam đoan Luanvants -> 1. Cơ sở khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài edata -> LỜi cảM Ơn trên con đường thành công không bao giờ vắng bóng của những người thầy đầy nhiệt huyết, sự giúp đỡ của bạn bè và đặc biệt đó là niềm tin của gia đình tải về 399.99 Kb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
: hiệu suất truyền động
là góc xoắn trục
điện trở suất, L chiều dài dây dẫn, A diện tích dây dẫn 
của strain gauge được xác định theo công thức:
hệ số poisson, 
biến dạng
, 
