Đề cương môn kỹ thuật đo lường- Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.
các đơnvị này, Hội kỹ sư Ô tôHoa kỳ (SAE) đã nghiên cứuthực nghiệm trongđiều kiện chuẩn và năm 1969 đã công bố kết quả về quan hệ giữa các đơn vị độ đen.
Đề cương môn kỹ thuật đo lường- Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.
Tài liệu gồm 22 trang , giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao
Môn: Kỹ thuật đo lường 31 tài liệu
Trường: Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 1.5 K tài liệu
Tác giả:
Preview text:
Cảm biến và kỹ thuật đo 8-1
Chương 8. Phân tích khí thải 8.1. KHÁI QUÁT
8.1.1. Mục đích phân tích khí thải
Khí xả của động cơ là sản phẩm
của quá trình cháy nhiên liệu. Các chất
chính trong khí xả bao gồm: CO, HC,
NOx, CO2, O2, C (bồ hóng). Việc phân
tích các thành phần khí trên rất quan
trọng để đánh giá chất lượng chế tạo
cũng như khai thác động cơ. Tùy theo
thiết bị và phương pháp đo mà đơn vị đo
nồng độ khí thải có thể là g/km hoặc
g/kwh, hoặc %V, ppmV (par per
milelion: phần triệu thể tích). Riêng đối
với bồ hóng được đo theo độ Bosch, %
hoặc độ k-độ mờ (m-1). Hình 8.1 cho
thấy khi hỗn hợp cháy nhạt dần, CO có
Hình 8.1. Quy luật phát thải theo độ đậm
xu hướng giảm dần, trong khi đó HC nhỏ hỗn hợp động cơ xăng
nhất khi hỗn hợp gần lý thuyết, còn NOx
thì đạt cực đại khi tỷ lệ không khí là 1,2.
Hình 8.2. Trường hợp động cơ xăng
Hình 8.3. Trường hợp động cơ Diesel
8.1.2. Phân loại các phương pháp phân tích khí thải
Mức độ ô nhiễm không khí cần được đánh giá bằng nồng độ các chất khí độc hại
được thải ra từ mọi nguồn gây ô nhiễm. Như mọi người đều biết, khí thải do động cơ
gây ra có chứa nhiều hợp chất khác nhau và là nguồn gây ô nhiễm chủ yếu đối với môi
trường không khí do quá trình khuếch tán trong không khí. 8-2
Chương 8. Phân tích khí thải
Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ có thể xác định bằng nhiều
phương pháp khác nhau và có thể chia thành ba nhóm sau đây:
Phương pháp phân tích khí Phương pháp hóa học Phương pháp lí học Phương pháp hóa lí Hấp thụ Dẫn nhiệt Điện phân Cháy hấp thụ Phát nhiệt Hấp thụ nhiệt Từ trường Chỉ thị màu Quang phổ Điện hóa Phóng xạ
Hình 8.4. Sơ đồ phân loại thiết bị phân tích khí
1. Phương pháp hóa học
Dùng phản ứng hóa học giữa chất ô nhiễm với tác nhân khác để xác định lượng
ô nhiễm trong mẫu khí thu được tại hiện trường. Trường hợp chất ô nhiễm đã được dự
đoán trước, có thể chuẩn bị các loại hóa chất phù hợp để tiến hành các phản ứng hóa học
như hấp thụ, hấp phụ ngay tại hiện trường.
Phương pháp hóa học là phương pháp phổ biến và đã được áp dụng từ rất sớm
trong kĩ thuật môi trường. Tuy nhiên, phương pháp này có mặt hạn chế của nó là không
cho phép ta đọc được nồng độ ô nhiễm một cách trực tiếp và tức thời.
2. Phương pháp lí học
Phương pháp lí học là dựa vào sự biến đổi của các thông số vật lý và hóa học, mà
chủ yếu là các thông số vật lý của các chất khí có trong khí thải khi nồng độ chất ô nhiễm
thay đổi, người ta chế tạo các loại dụng cụ thích hợp cho từng loại chất ô nhiễm hoặc
nhóm chất ô nhiễm. Tiêu biểu cho phương pháp này là các loại máy phổ kế, máy đo
quang phổ, máy đo độ dẫn nhiệt, máy đo độ phóng xạ . Phương pháp lí học khắc
phục được nhược điểm của phương pháp hóa học. Ngoài ra phương pháp này cho phép
chế tạo ra các loại dụng cụ tự ghi.
3. Phương pháp hóa lí
Phương pháp này cũng dựa vào sự biến đổi các thông số vật lý và hóa học như
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN
Cảm biến và kỹ thuật đo 8-3
phương pháp trên. Tuy nhiên, ở phương pháp này người ta chế tạo các dụng cụ đo nồng
độ các chất ô nhiễm dựa vào sự hấp thụ nhiệt của khí thải, điện dẫn, điện thế cực, điện
tích, hiện tượng phân cực và phương pháp so màu để xác định nồng độ các chất ô nhiễm.
8.1.3. Phân loại thiết bị phân tích khí
Thiết bị phân tích khí có nhiều loại khác nhau dựa theo phương pháp phân tích,
trong đó hiện nay chủ yếu là phương pháp hóa lí. Sơ đồ phân loại các thiết bị thể hiện trên hình 8.4.
8.2. CÁC CHU TRÌNH THỬ VÀ PHƯƠNG PHÁP LẤY MẪU KHÍ
8.2.1. Chu trình thử ô nhiễm a, b,
Hình 8.5. Chu trình thử ECE (châu Âu)
a. Chu trình ECE15+EUDC; b. Chu trình ECE mới (NEDC)
Chu trình thử kiểm tra ô nhiễm là chế độ vận hành của phương tiện hay động cơ
được quy định thống nhất dựa trên việc thống kê đặc điểm vận hành phương tiện trên
một mẫu đường thử, điều kiện đường xá, mật độ, đặc điểm hoạt động của phương tiện
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN 8-4
Chương 8. Phân tích khí thải
liên quan đến phát thải ô nhiễm, người ta xây dựng các chu trình khác nhau. Việc quy
định chọn chu trình thử nào do mỗi quốc gia qui định. Hiện nay thông dụng là chu trình
thử của Châu Âu, chu trình thử của Mỹ, chu trình thử của Nhật Bản. Đặc trưng của mỗi
chu trình là chế độ tải, chế độ tốc độ và thời gian thực hiện chu trình.
Trên hình 8.5a thể hiện chu trình thử của châu Âu, thời gian của chu trình là
1220s, tốc độ lớn nhất là 120km/h, tốc độ trung bình 32,5 km/h. Đối với chu trình ECE
mới NECD (hình 8.5b), thời gian của chu trình là 1180s, tốc độ lớn nhất là 120 km/h,
tốc độ trung bình là 33,6 km/h.
Hình 8.6. Chu trình thử FTP 72 (Mỹ)+FTP 75
Hình 8.6 trình bày chu trình thử của Mỹ chu trình FPT 72 chỉ có hai pha là pha
khởi động nguội, pha ổn định, chu trình FTP 75 có thêm pha nóng, tổng thời gian của
chu trinh là 1874s, tốc độ lớn nhất là 91,09 km/h, tốc độ trung bình là 34,2 km/h.
Hình 8.7. Chu trình thử 10-15 chế độ của Nhật
Hình 8.7 trình bày chu trình thử của Nhật Bản kéo dài 660s, với tốc độ lớn nhất
là 70,09 km/h, tốc độ trung bình là 30.73 km/h.
Rõ ràng các chu trình thử chỉ mang tính đại diện dựa vào việc mô phỏng hoạt
động của phương tiện khác nhau và được thống nhất áp dụng theo qui định của quốc
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN
Cảm biến và kỹ thuật đo 8-5
gia. Tính đến thời điểm hiện nay trên thế giới có tổng cộng 256 chu trình thử khác nhau
áp dụng tùy thuộc loại xe du lịch, xe tải hay xe bus.
Lựa chọn áp dụng các chu trình thử nào đặc biệt quan trọng vì nó liên quan đến
hệ thống thiết bị tương ứng và phù hợp với mục tiêu sử dụng nội địa hay xuất khẩu ô tô,
vì khi muốn xuất khẩu xe vào quốc gia nào phải đáp ứng được chu trình thử theo quy
định của quốc gia nhập khẩu. Hiện nay Việt Nam đang áp dụng chu trình thử châu Âu
để thử nghiệm khí thải của phương tiện. a, b,
Hình 8.8. Chu trình thử xe máy ECE: a, R47- xe gắn máy; b R40 – môtô
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN 8-6
Chương 8. Phân tích khí thải
Đối với xe gắn máy và mô tô chu
trình thử bao gồm một số đoạn chế độ lập
đi lập lại thể hiện trên hình 8.8.
Trường hợp thử nghiệm riêng
động cơ đốt trong, hiện nay thường áp
dụng chu trình thử ECE R49 với 13 chế
độ tốc độ và tải khác nhau cho động cơ
dùng dầu diesel để thử mẫu động cơ theo
tiêu chuẩn khí thải EURO II như hình
8.9. Ở mỗi chế độ tỷ lệ % thời gian khác
nhau trong tổng thời gian thử.
Hình 8.9. Chu trình thử động cơ diesel ECE R49
8.2.2. Phương pháp lấy mẫu khí
Trường hợp kiểm tra khí thải định kỳ (xe đã qua sử dụng, kiểm tra tại các trạm
đăng kiểm), phương tiện hoạt động ở chế độ không tải và khí thải thông thường được
lấy và đưa vào thiết bị phân tích khí dạng di động. HC CO CO2
Hình 8.10. Sơ đồ hệ thống lấy mẫu khí thải theo chu trình Châu Âu
1.Băng thử. 2. Ống thải. 3. Đường cấp không khí. 4. Khoang làm mát. 5. Thiết bị
phân tích khí. 6.Nhiệt kế. 7. Bộ đo lưu lượng. 8. Áp kế. 9. Van. 10. Túi lấy mẫu.
Trường hợp đối với mẫu xe mới (kiểm tra mẫu xuất xưởng), phương tiện được
lắp trên băng thử và khí thải được dẫn vào hệ thống lấy mẫu và phân tích khí như trên
hình 8.10 và hình 8.11. Do chu trình thử khác nhau nên hệ thống thiết bị lấy mẫu theo
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN
Cảm biến và kỹ thuật đo 8-7
chu trình châu Âu và Mỹ khác nhau. Mẫu khí thải được lấy đưa vào túi lấy mẫu và phân
tích kết quả tổng hợp của cả chu trình.
Hình 8.10 mô tả sơ đồ hệ thống lấy mẫu khí theo chu trình thử của Châu Âu,
phương tiện được đặt trên băng thử động lực học (chassi dyno) và vận hành theo chu
trình. Trong suốt chu trình thử, khí thải được hút vào hệ thống lấy mẫu sau khi được pha
trộn thêm không khí qua đường ống 3. Sau khi lấy đủ mẫu khí của cả chu trình sẽ được
chuyển sang phân tích từng thành phần riêng ở các cột phân tích 5.
Đối với hệ thống lấy mẫu khí theo chu trình thử của Mỹ mô tả trên hình 8.11,
phương tiện cũng được đặt trên băng thử và vận hành theo chu trình, từng pha khác nhau
được lấy mẫu riêng biệt sau đó được đưa vào các cột phân tích khí. 6 HC CO2 Ox
Hình 8.11. Sơ đồ hệ thống lấy mẫu khí thải theo chu trình Mỹ (CVS)
1.Băng thử. 2. Ống thải. 3. Đường cấp không khí. 4. Lọc khí. 5. Bơm hút mẫu. 6. Van. 7.Thiết
bị phân tích khí. 8. Bộ đo lưu lượng. 9. Đường thoát khí. 10. Bơm hút. 11. Áp kế. 12.Nhiệt kế.
13. Túi lấy mẫu pha nguội. 14. Túi lấy mẫu pha ổn định. 15. Túi lấy mẫu pha nóng.
Hình 8.12. Sơ đồ bố trí xe trên băng thử
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN 8-8
Chương 8. Phân tích khí thải
Hình 8.12 trình bày sơ đồ hệ thống thử phân tích khí thải theo chu trình thử cho
xe máy, tương tự như đối với ô tô.
8.2.3. Quy định tiêu chuẩn khí thải
Tiêu chuẩn khí thải là mức cho phép các thành phần của khí thải khi thử trên các
chu trình thử. Mức khí thải này sẽ được quy định thay đổi theo một lộ trình xác định,
việc thay đổi các mức căn cứ vào yêu cầu chất lượng khí thải của mỗi quốc gia. Mỗi
mức tiêu chuẩn khí thải khác nhau phù hợp với công nghệ được áp dụng trên phương
tiện. Đi kèm với tiêu chuẩn khí thải tiêu chuẩn nhiên liệu cũng phải tương ứng.
Các tiêu chuẩn khí thải ô tô đầu tiên được ban hành vào năm 1963 tại Hoa Kỳ,
chủ yếu là để đối phó với các vấn đề khói bụi của Los Angeles. Ba năm sau, Nhật Bản
ban hành các quy tắc phát thải đầu tiên của họ, sau đó từ năm 1970 đến năm 1972 bởi
Canada, Úc và một số quốc gia châu Âu. Các tiêu chuẩn ban đầu chủ yếu liên quan đến
carbon monoxide (CO) và hydrocarbon (HC). Các quy định về phát thải nitơ oxit (NOx)
đã được đưa ra ở Hoa Kỳ, Nhật Bản và Canada vào năm 1973 và 1974, với Thụy Điển
sau năm 1976 và Cộng đồng kinh tế châu Âu vào năm 1977. Các tiêu chuẩn này dần dần
ngày càng nghiêm ngặt hơn nhưng chưa bao giờ được thống nhất.
Có ba bộ tiêu chuẩn chính: Hoa Kỳ, Nhật Bản và Châu Âu, với các thị trường
khác nhau chủ yếu sử dụng chúng làm cơ sở. Thụy Điển, Thụy Sĩ và Úc có các tiêu
chuẩn khí thải riêng trong nhiều năm nhưng kể từ đó đã áp dụng các tiêu chuẩn châu
Âu. Ấn Độ, Trung Quốc và các thị trường mới hơn cũng đã bắt đầu thực thi các tiêu
chuẩn khí thải phương tiện (xuất phát từ yêu cầu của châu Âu) trong thế kỷ 21.
Hiện nay Việt Nam đang áp dụng tiêu chuẩn khí thải châu Âu. Chính phủ ban
hành qui định lộ trình và tiêu chuẩn mức khí thải tương ứng, đảm bảo phù hợp với sự
phát triển của công nghệ và yêu cầu kiểm soát khí thải khi mà lượng phương tiện tăng lên nhanh chóng.
Tiêu chuẩn về hiệu suất phát thải là một giới hạn đặt ra các ngưỡng mà trên đó
có thể cần một loại công nghệ kiểm soát khí thải khác nhau. Mặc dù các tiêu chuẩn về
hiệu suất phát thải đã được sử dụng để đưa ra các giới hạn cho các chất ô nhiễm thông
thường như oxit nitơ và oxit lưu huỳnh (NOx và SOx), kỹ thuật điều tiết này có thể được
sử dụng để điều chỉnh khí nhà kính, đặc biệt là carbon dioxide (CO2). Ở Mỹ, lượng khí
này được tính bằng pound carbon dioxide mỗi megawatt giờ (lbs. CO2 / MWhr) và
kilogam CO2 / MWhr ở nơi khác.
1. Tiêu chuẩn khí thải châu Âu
Liên minh châu Âu có bộ tiêu chuẩn khí thải riêng mà tất cả các phương tiện mới
phải đáp ứng. Hiện tại, các tiêu chuẩn được đặt ra cho tất cả các phương tiện giao thông
đường bộ, xe lửa, xà lan và ‘máy móc thiết bị di động không đường bộ’ (như máy kéo).
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN
Cảm biến và kỹ thuật đo 8-9
Bảng 8.1.Tiêu chuẩn khí thải châu Âu của xe dùng xăng Tiêu chuẩn CO (g/km) HC (g/km) NOx (g/km) PM (g/km, động Thời điểm áp cơ phun trực tiếp) dụng EURO I 2.72 0.97 (cả NOx) 6/1992 EURO II 2.2 0.5 (cả NOx) Không qui định 01/1996 EURO III 2.3 0.20 0.15 Không qui định 01/2000 EURO IV 1.0 0.10 0.08 Không qui định 01/2005 EURO V 1.0 0.10 0.06 0.005 9/2009 EURO VI 1.0 0.10 0.06 0.005 9/2015
Quy định 443/2009 của EU đặt mục tiêu phát thải CO2 trung bình cho xe ô tô
chở khách mới là 130 g/ km. Mục tiêu đã dần được thực hiện trong khoảng từ năm 2012
đến 2015. Mục tiêu 95 g /km sẽ được áp dụng từ năm 2021.
Bảng 8.2. Tiêu chuẩn khí thải châu Âu của xe dùng dầu Diesel Tiêu chuẩn CO HC + NOx NOx PM Thời điểm áp (g/km) (g/km) (g/km) (g/km) dụng EURO I 2.72 0.97 - 0.14 6/1992 EURO II 1.0 0.7 - 0.08 01/1996 EURO III 0.64 0.56 0.50 0.05 01/2000 EURO IV 0.50 0.30 0.25 0.025 01/2005 EURO V 0.50 0.23 0.18 0.005 9/2009 EURO VI 0.50 0.17 0.08 0.005 9/2015
https://www.smmt.co.uk/industry-topics/emilessions/
Đối với xe thương mại hạng nhẹ, mục tiêu phát thải 175 g/km áp dụng từ năm
2017 và 147 g/km từ năm 2020, giảm 16%.
EU đã giới thiệu Euro 4 có hiệu lực từ ngày 1 tháng 1 năm 2008, Euro 5 có hiệu
lực từ ngày 1 tháng 1 năm 2010 và Euro 6 có hiệu lực từ ngày 1 tháng 1 năm 2014.
2. Tiêu chuẩn khí thải Mỹ
Mỹ có bộ tiêu chuẩn khí thải riêng mà tất cả các phương tiện mới phải đáp ứng.
Tại Hoa Kỳ, các tiêu chuẩn khí thải được quản lý bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA).
Theo luật liên bang, tiểu bang California được phép ban hành các tiêu chuẩn khí thải xe
nghiêm ngặt hơn (theo phê duyệt của EPA) và các tiểu bang khác có thể chọn tuân theo
các tiêu chuẩn quốc gia hoặc California. California đã sản xuất các tiêu chuẩn chất lượng
không khí trước EPA, với các vấn đề nghiêm trọng về chất lượng không khí ở khu vực
đô thị Los Angeles. LA là thành phố lớn thứ hai của đất nước, phụ thuộc nhiều vào ô tô
và có điều kiện khí tượng ít thuận lợi hơn so với các thành phố lớn nhất và lớn thứ ba (New York và Chicago).
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN 8-10
Chương 8. Phân tích khí thải
Các tiêu chuẩn khí thải của California được đặt ra bởi Ủy ban Tài nguyên Hàng
không California, được biết đến với tên viết tắt "CARB". Đến giữa năm 2009, 16 tiểu
bang khác đã áp dụng các quy tắc CARB; với quy mô của thị trường California cộng
với các tiểu bang khác, nhiều nhà sản xuất chọn xây dựng theo tiêu chuẩn CARB khi
bán ở tất cả 50 tiểu bang. Các chính sách của CARB cũng đã ảnh hưởng đến các tiêu chuẩn khí thải của EU.
3. Tiêu chuẩn khí thải Nhật Bản
Bắt đầu từ ngày 10 tháng 6 năm 1968, Chính phủ Nhật Bản đã thông qua Đạo
luật kiểm soát ô nhiễm không khí của Nhật Bản, quy định tất cả các nguồn gây ô nhiễm
không khí. Theo kết quả của luật năm 1968, các giải pháp tranh chấp đã được thông qua
năm 1970 theo Đạo luật giải quyết tranh chấp ô nhiễm không khí. Các tiêu chuẩn tạm
thời được giới thiệu vào ngày 1 tháng 1 năm 1975 và một lần nữa vào năm 1976. Bộ
tiêu chuẩn cuối cùng được giới thiệu vào năm 1978. Mặc dù các tiêu chuẩn được đưa ra
nhưng chúng không được thực hiện ngay lập tức, thay vào đó, các khoản giảm thuế được
đưa ra cho những chiếc xe đã vượt qua chúng. Các tiêu chuẩn khí thải của Nhật Bản
được dựa trên những tiêu chuẩn được thông qua bởi Đạo luật Không khí Sạch ban đầu
của Hoa Kỳ năm 1970, nhưng chu trình thử nghiệm có thay đổi để phản ánh chính xác
tình hình giao thông Nhật Bản. Giới hạn năm 1978 đối với lượng khí thải trung bình
trong "Thử nghiệm khởi động nóng" CO, hydrocarbon và NOx lần lượt là 2,1 g/km (3,38
g / mile) CO, 0,25 g/km (0,40 g / mile) HC, và 25 g/ km (0,40 g / mile) NOx tương ứng.
Giới hạn tối đa là 2,7 g/km (4,35 g / mile) CO, 0,39 g/km (0,63 g / mile) HC và 0,48 g/km (0,77 g / mile) NOx.
Năm 1992, để đối phó với các vấn đề ô nhiễm NOx từ các đội xe hiện có ở các
khu vực đô thị đông dân, Nhật Bản đã thông qua Luật NOx xe cơ giới. Quy định đã chỉ
định tổng cộng 196 cộng đồng ở các quận Tokyo, Saitama, Kanagawa, Osaka và Hyogo
là những khu vực bị ô nhiễm không khí nghiêm trọng do ôxit nitơ phát ra từ xe cơ giới.
Theo Luật, một số biện pháp đã được thực hiện để kiểm soát NOx từ các phương tiện
đang sử dụng, bao gồm thực thi các tiêu chuẩn khí thải đối với các loại xe được chỉ định.
Quy định đã được sửa đổi vào tháng 6 năm 2001 để thắt chặt các yêu cầu NOx
hiện có và bổ sung các điều khoản kiểm soát PM. Quy tắc sửa đổi được gọi là "Luật liên
quan đến các biện pháp đặc biệt nhằm giảm tổng lượng oxit nitơ và vật chất hạt phát ra
từ xe cơ giới trong các khu vực cụ thể", hay nói ngắn gọn là Luật NOx và PM ô tô.
Ở Việt Nam, Quyết định 49/2011/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ đã ban hành
về lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải với ô tô, xe mô tô hai bánh có lắp động cơ nhiệt
sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới. Theo quyết định này kể từ ngày 1/1/2017 các loại
xe ôtô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 4.
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN
Cảm biến và kỹ thuật đo 8-11
8.3. PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
8.3.1. Đo nồng độ CO, CO2 1. Đặc điểm
Dùng phương pháp hấp thụ ánh sáng để xác định CO, CO2. Thiết bị dựa trên
nguyên tắc là các hợp chất hóa học hấp thụ sóng ánh sáng cực đỏ (bước sóng 0,8 μm ÷
300 μm) trong một phạm vi nhất định.
Tia NDIR (hồng ngoại không phân tán) được dùng trong phương pháp này. Thuật
ngữ “ không phân tán “ được hiểu là khi tia hồng ngoại được chiếu qua luồng khí CO,
CO2, NOX và những chất khí khác, mỗi khí sẽ hấp thụ một bước sóng hồng ngoại đặc
trưng. Mức độ hấp thụ của mỗi bước sóng tỷ lệ với nồng độ của CO, CO2, NOx và những
chất khí khác. Ví dụ CO hấp thụ bước sóng 4,7 m; CO2 hấp thụ bước sóng: 4,3 m;
HC hấp thụ bước sóng: 3,3m. 1 2 3 4 5 6 7 9 8
Hình 8.13. Sơ đồ nguyên lý phân tích NDIR
1.Mô tơ tạo dao động; 2. Nguồn hồng ngoại; 3. Bộ tạo dao động; 4. Buồng so
sánh; 5. Bộ phận chỉ thị; 6. Khuyếch đại chính; 7. Cảm biến; 8. Khuyếch đại sơ bộ; 9.
Màng mỏng; 10. Khí ra; 11. Buồng đo; 12. Khí vào.
2. Nguyên lý hoạt động
Theo hình 8.13 trong buồng so sánh 4 có chứa một chất khí hoàn toàn trong suốt
đối với tia hồng ngoại. Không khí cần thực nghiệm được hút liên tục qua buồng đo 11
khí CO, CO2 trong không khí thử nghiệm sẽ hấp thụ tia hồng ngoại phát ra từ buồng
sáng 2, kết quả là năng lượng bức xạ hồng ngoại chiếu đến ngăn bên phải của bộ phận
cảm biến 7 ít hơn so với ngăn bên trái. Trong bộ phận cảm biến 7 cũng chứa không khí
cần thử nghiệm (với áp suất thấp) và ở giữa hai ngăn trái và phải của nó có lắp một màng
mỏng kim loại 9 có tính đàn hồi cao. Đến lượt mình, khí CO, CO2 trong ngăn phải của
bộ phận cảm biến 7 lại hấp thụ nhiều bức xạ hồng ngoại nên nhiệt độ của không khí bên
ngăn trái tăng cao hơn so với không khí bên ngăn phải, do đó màng mỏng kim lọai 9 sẽ
bị đẩy võng sang bên phải. Độ dịch chuyển của màng mỏng tỷ lệ với nồng độ CO, CO2
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN 8-12
Chương 8. Phân tích khí thải
trong không khí và được biến đổi thành tín hiệu điện đầu ra để hiển thị trị số nồng độ
CO, CO2 trong mẫu khí thử nghiệm.
Hình 8.14. Nguyên lý phân tích NDIR
Bộ tạo dao động ngắt mở tia chiếu (3) có tác dụng tạo ra xung áp lực trên màng
mỏng kim loại theo cùng pha với tốc độ quay của nó, nhờ đó sự biến đổi tín hiệu điện
đầu ra sẽ được chính xác hơn so với khi độ võng của màng mỏng 9 nằm ở vị trí cố định
nếu không có bộ tạo dao động.
8.3.2. Đo nồng độ oxit nitơ (NOX) 1. Đặc điểm
Để đo nồng độ NOx, người ta thường sử dụng phương pháp hấp thụ ánh sáng
hoặc dùng phương pháp quang hóa (Chemolumilenezenz). Nguyên lý của phương pháp
quang hóa như sau, khi NO tác dụng với O3, một phản ứng hóa học xảy ra, đồng thời 1
ánh sáng có 1 bước sóng đặc biệt cũng phát ra, cường độ ánh sáng phát ra tỷ lệ với nồng độ NO.
Hơn nữa ở nhiệt độ cao, NOx biến thành NO tạo ra một phản ứng hóa học giống
như trên, cường độ ánh sáng sinh ra tại thời điểm này được đo lại.
2. Nguyên lý hoạt động
Hình 8.15 mô tả nguyên lý phương pháp quang hóa, NO và O3 được đưa vào ống
phản ứng 4 khi NO tác dụng với ozon (O3) sẽ tạo ra một số phân tử NO*2 bị kích thích,
các phân tử này phát ra năng lượng bức xạ ở bước sóng 600 3000 nm và cực đại ở
bước sóng 1200 nm, sau đó trở về trạng thái bình thường. Các phản xảy ra như sau: NO + O3 → NO*2 + O2 NO + O3 → NO2 + O2 NO*2 → NO2 + h
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN
Cảm biến và kỹ thuật đo 8-13 Trong đó :
h: số năng lượng riêng phần;
h: là hệ số plank; : là tần số chùm tia. 1 0 1 4 5 6 7
Hình 8.15. Nguyên lí thiết bị đo NOx theo phương pháp quang hóa
1.Khí ozon (O3); 2. Khí cần đo; 3. Khí thải ra sau phản ứng; 4. Ống phản ứng;
5. Chất phát sáng; 6. Cảm biến; 7. Máy khuếch đại quang học PM.(Nguồn điện cao áp); 8.
Khuếch đại; 9. Thiết bị chỉ thị kết quả; 10. Lọc.
Năng lượng này được chuyển hóa thành độ lớn điện trong máy khuếch đại quang
học PM và được đưa đến bộ khuếch đại (8). Độ lớn thu nhận được tỉ lệ với nồng độ của
NO. Bộ khuếch đại (8) đưa tín hiệu điện nhận được đến bộ hiển thị kết quả (9).
8.3.3. Đo nồng độ cacbuahydro (HC) 1. Đặc điểm
Phương pháp ion hóa ngọn lửa (FID) (Flame Ionisation Detector) được sử dụng
rộng rãi. Cacbuahydro ở đây gồm có: không cháy hoặc cháy không hoàn toàn trong khí
xả. Có nhiều phương pháp đo, song trong các phương pháp đo khí xả thì phương pháp
FID có độ chính xác cao nhất. Hiện nay người ta phát triển thiết bị đo HC mới theo
nguyên lí hấp thụ ánh sáng cực đỏ.
2. Nguyên lý hoạt động 7
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN 8-14
Chương 8. Phân tích khí thải
Hình 8.16. Sơ đồ nguyên lí đo HC với FID
1.Khí xả; 2. Ngọn lửa; 3. Vòi phun; 4. Buồng cháy; 5. Khí mẫu H2; 6. Khí cần phân tích
(HC); 7. Không khí; 8. Nguồn; 9. Điện trở cao; 10. Đầu ra ; 11. Cảm biến; 12. Dòng điện Ion; 13. Cực góp.
Nguyên lý của phép đo: Khí H2 tinh khiết nếu cháy trong không khí hầu như
không tạo thành các ion do ngọn lửa H2 có điện trở rất lớn (1012 ÷1014Ω) nếu có một
lượng nhỏ các cacbuahydro (HC) trong ngọn lửa Hydro, do nhiệt độ trong ngọn lửa sẽ
xảy ra hiện tượng ion hóa phân tử của HC, lượng ion sinh ra tỷ lệ với nồng độ các HC.
Nguyên lý hoạt động: Hình 8.16 giới thiệu sơ đồ nguyên lý đo HC dùng phương
pháp ion hóa ngọn lửa, khí mẫu H2 và mẫu khí thải có chứa HC được trộn ở vòi phun.
Hỗn hợp sau đó được hòa trộn với không khí trong buồng cháy. Một điện áp âm cao áp
được đặt vào vòi phun và một điện áp dương cao áp được đặt vào cực góp. Cảm biến
phát hiện cường độ dòng điện (dòng ion) đi giữa hai cực (vòi phun và cực góp) bằng
cách đếm sự thay đổi số lượng Ion được sinh ra trong ngọn lửa hydro. Nồng độ HC được
tính theo đó, kết quả được gửi về bộ phận ghi.
8.4. ĐO ĐỘ KHÓI TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL
Bồ hóng hình thành do liên kết của nhiều hạt cơ bản hình cầu trên nền của những
hạt cơ bản ban đầu thành từng khối hay
từng chuỗi có kích thước trung bình nằm
trong khoảng từ 100 đến 150 nm mà người
ta gọi là hạt bồ hóng theo ngôn ngữ thông
thường. Các hạt cơ bản hình cầu có đường
kính từ 10-80 nm, đại bộ phận nằm trong
khoảng 15-30 nm. Cấu trúc tổng quát của
hạt bồ hóng như hình 8.17, bao gồm
Cacbon, dầu bôi trơn, nhiên liệu không
cháy, lưu huỳnh, hơi nước, hạt kim loại và
các tinh thể khác. Dụng cụ đo độ khói có
thể dựa trên các phương pháp cơ bản sau đây.
Hình 8.17. Thành phần hạt bồ hóng
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN
Cảm biến và kỹ thuật đo 8-15
8.4.1. Phương pháp quan sát
Người ta so sánh độ đen của khí xả với độ
đen chuẩn do Giáo sư Ringelmann (Pháp) phát
minh vào thập niên 1800. Độ đen chuẩn này gồm
những carte có kẻ những ô vuông bằng mực đen
trên nền trắng. Bề rộng của nét đen thay đổi và độ
đen choáng chỗ tương ứng 20, 40, 60 và 80% trên
diện tích tổng cộng của nền. Các độ đen này tương
ứng với chỉ số Ringelmann 1,2,3 và 4. Theo qui
ước, chỉ số 0 tương ứng với nền trắng hoàn toàn và
chỉ số 5 tương ứng với nền đen hoàn toàn.
Hình 8.18. Chuẩn Ringelmanm
8.4.2. Phương pháp tắt ánh sáng 1. Đặc điểm
Khi một chùm tia sáng có cường độ Io truyền qua một cột khói thì cảm biến
quang đặt phía sau sẽ nhận được cường độ IIo. Tỉ số I/Io phụ thuộc vào mức độ dập
tắt ánh sáng của cột khói. Người ta định nghĩa các thông số sau: - Độ sáng : T0.p N T = I = e−KL.T.p0 = (1 − ) (8.1) I0 100 - Độ mờ : T0.p N = 100(1 − e−KL.T.p0) (8.2)
- Hệ số hấp thụ K được rút ra từ định luật Beer-Lambert: 1 K = − N ln( 1 − ) (8.3) L 100 L : Quang trình (m)
Hình 8.19. Nguyên lý đo tắt ánh sáng theo Beer – Lambert
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN 8-16
Chương 8. Phân tích khí thải
Trong kỹ thuật, hệ số hấp thụ K (m-1) và độ mờ N (%) được dùng để biểu diễn
độ khói của khí xả. Các thông số này phụ thuộc vào quang trình L. Khi L=45,7cm độ
mờ N(%) chính là độ khói Hartridge HSU (Hartridge Smoke Units).
Hình 8.20. Quan hệ giữa độ mờ và hệ số hấp thụ (Opacity – Absorption)
2. Sơ đồ thiết bị đo
a. Mờ kế (opacimeter) kiểu dòng tự do Quang trình Tế bào quang điện Nguồn sáng mA Khí xả
Hình 8.21. Mờ kế dòng tự do
Sơ đồ mờ kế dòng tự do trình bày trên hình 8.21, nguồn sáng và tế bào quang
điện được bố trí đối xứng nhau qua cột khói cần đo. Dụng cụ được đặt cách mileệng xả
của ống tiêu âm khoảng 4-5 cm. Sự thay đổi sức điện động của tế bào quang điện được
ghi nhận nhờ máy ghi tín hiệu.
Thang chia của dụng cụ đo thay đổi được từ 100% (tương ứng với khi tắt nguồn
sáng) đến 0 (tương ứng với cột không khí sạch).
Kết quả đo phụ thuộc vào quang trình L theo định luật Beer-Lambert. Vì vậy cần
xác định chính xác L để có thể so sánh kết quả nhận được với các thang đo khác.
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN
Cảm biến và kỹ thuật đo 8-17
b. Mờ kế kiểu lấy mẫu 8 Khí xả 1 7 2 6 3 5 K hông khí 4
Hình 8.22. Sơ đồ khói kế Hartridge
1- Tế bào quang điện.2- Tay gạt. 3- Đồng hồ chỉ thị. 4 - Bơm hút không khí sạch. 5 -
Khoang so sánh. 6 - Nguồn điện. 7 - Đèn chiếu. 8 - Khoang đo.
Đây là nguyên lý của khói kế (smokemeter) Hartridge (hình 8.22). Phương pháp
này cho phép đo liên tục độ mờ của một bộ phận khí xả di chuyển trong ống lấy mẫu.
Nguồn sáng và tế bào quang điện được đặt cách nhau một khoảng L nhất định ở hai đầu
ống lấy mẫu và gắn liền với một trục xoay. Đầu ra của tế bào quang điện được nối với
một đồng hồ mileliampère. Thang chia thay đổi từ 0 (khi xoay trục về phía ống không
khí) đến 100 (khi tắt nguồn sáng). Không khí Khí thải Không khí
Hình 8.23. Sơ đồ bộ lấy mẫu khói AVL DISMOKE 4000
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN 8-18
Chương 8. Phân tích khí thải
Hình 8.24. Sơ đồ lắp đặt lấy mẫu đo khói
8.4.3. Phương pháp lọc bồ hóng 1. Đặc điểm
Sử dụng bơm hút một thể tích khí xác định, bồ hóng chứa trong thể tích mẫu thử
sẽ được giữ lại trên giấy lọc. Nồng độ bồ hóng sau đó được đánh giá bằng cách so sánh
mẫu giấy lọc nhận được và mẫu giấy lọc chưa sử dụng, dựa vào kết quả đo cường độ
ánh sáng phản xạ nhờ tế bào quang điện (độ Bosch) hay bằng cách cân (mg/m3). 2. Khói kế Bosch 3 4 5 6
Hình 8.25. Sơ đồ nguyên lý bơm lấy mẫu
1. Đầu hút khí xả, 2. Ống dẫn khói, 3. Bộ kẹp giấy lọc, 4. Van cấp không khí sạch, 5. Bơm
piston, 6. Lò xo, 7. Chốt hãm kiểu điện từ, 8. Công tắc điện.
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN
Cảm biến và kỹ thuật đo 8-19
Bơm lấy mẫu khói như hình 8.25. Piston của bơm được nén nhờ lò xo 6, tại bộ
kẹp giấy có gắn giấy lọc, đầu hút khí được kẹp vào 5
ống xả. Khi đo công tắc 8 được kẹp vào bàn đạp ga,
Gia tốc đột ngột động cơ và đóng công tắc 8 làm chốt
hãm mở ra, piston chuyển động hút mẫu khí vào
bơm. Mẫu khí xả có thể tích nhất định được hút qua
tấm giấy lọc. Bồ hóng trong khí xả được giấy lọc giữ
lại, độ đen của giấy tỉ lệ với nồng độ bồ hóng. Độ đen
đó được đánh giá gián tiếp thông qua ánh sáng phản
xạ nhận được từ tế bào quang điện của cảm biến
Bosch (hình 8.26). Giá trị đầu ra của tế bào quang
điện được ghi nhận nhờ đồng hồ mA có thang chia
theo độ khói từ 0 đến 10.
Hình 8.26. Sơ đồ cảm biến Bosch
1. Giấy lọc chứa bồ hóng ; 2. Tế bào quang điện ;
3. Nguồn sáng ; 4. Điện kế (mV) ; 5. Nguồn điện.
Trước khi đo phải chỉnh dụng cụ:
- Vị trí 0 tương ứng với khi bộ phận cảm biến đặt lên giấy lọc trắng chưa sử dụng
- Vị trí giữa tương ứng với giấy đen do nhà chế tạo cung cấp
- Vị trí 10 tương ứng với khi tắt nguồn sáng.
8.4.4. Cân trực tiếp
Dùng giấy lọc lấy mẫu khí, sau đó đem cân. So
sánh sự thay đổi khối lượng của giấy lọc trước và sau
khi hút mẫu cho phép rút ra được nồng độ bồ hóng một cách trực tiếp.
Trước khi cân mẫu giấy lọc có chứa bồ hóng cần
phải tiến hành sấy nhẹ để bốc hơi thành phần chất lỏng giữ lại trên giấy.
Thể tích của mẫu được xác định qua các thông số
của dụng cụ hút cùng với áp suất và nhiệt độ của khí tại vị trí lấy mẫu.
8.4.5. Qui đổi đơn vị của các phương pháp đo
Tiêu chuẩn độ khói đen trong khí xả động cơ (a) (b)
được đo theo các đơn vị khác nhau phụ thuộc từng nước: Hình 8.27.So sánh thang đo
Hệ số hấp thụ quang học K (Cộng đồng Châu Âu, Úc,
độ khói (a. Độ Bosch; b. Độ
Brazil), Đơn vị Hartridge (Mỹ, Nam Triều Tiên, Việt Hartridge)
nam), Chỉ số Bosch (Nhật, Thụy điển). Để có thể qui đổi
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN 8-20
Chương 8. Phân tích khí thải
các đơn vị này, Hội kỹ sư Ô tô Hoa kỳ (SAE) đã nghiên cứu thực nghiệm trong điều
kiện chuẩn và năm 1969 đã công bố kết quả về quan hệ giữa các đơn vị độ đen. BOSCH BOSCH BOSCH EC(mg) EC(mg) EC(mg) (Bn) (Bn) (Bn) 2,9 8,4 5,3 9,4 7,7 26,9 3 8,3 5,4 9,7 7,8 28,7 3,1 8,2 5,5 9,9 7,9 30,6 3,2 8,1 5,6 10,2 8 32,7 3,3 8,1 5,7 10,5 8,1 35,1 3,4 8,0 5,8 10,9 8,2 37,6 3,5 7,9 5,9 11,2 8,3 40,4 3,6 7,9 6 11,6 8,4 43,5 3,7 7,9 6,1 12,1 8,5 46,9 3,8 7,9 6,2 12,5 8,6 50,7 3,9 7,9 6,3 13,0 8,7 54,8 4 7,9 6,4 13,6 8,8 59,4 4,1 7,9 6,5 14,2 8,9 64,4 4,2 8,0 6,6 14,8 9 70,0 4,3 8,0 6,7 15,5 9,1 76,2 4,4 8,1 6,8 16,3 9,2 83,1 4,5 8,2 6,9 17,1 9,3 90,8 4,6 8,3 7 18,0 9,4 99,3 4,7 8,4 7,1 19,0 9,5 108,8 4,8 8,5 7,2 20,0 9,6 119,4 4,9 8,7 7,3 21,2 9,7 131,3 5 8,9 7,4 22,4 9,8 144,5 5,1 9,0 7,5 23,8 9,9 159,4 5,2 9,2 7,6 25,3 10 176,1
EC=Exp(3,24-(0,6169.Bn)+(0,081.Bn.Bn))
Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Cơ khí Động lực, Khoa Cơ khí Giao thông, ĐHBK ĐN
Tài liệu liên quan:
-
Đề cương môn kỹ thuật đo lường- Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.
3 2 -
https://www.studocu.vn/vn/document/dai-hoc-dien-luc/dien-chuyen-nganh/ky-thuat-do-luong-da-chuyen-doi/19438979
3 2 -
Đề cương môn kỹ thuật đo lường- Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.
2 1 -
Đề cương môn kỹ thuật đo lường- Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.
2 1