Nghiên cứu - chế tạo bộ đo lưu lượng biogas theo nguyên lý chênh áp cho động cơ biogas

 dòng chảy khi đi qua màng ngăn có lỗ thu 
hẹp. Khi chảy qua lỗ thu hẹp của màng ngăn, vận tốc của 
lưu chất tăng lên, do đó tạo ra sự chênh áp trước và sau lỗ 
thu hẹp. Sử dụng một áp kế vi sai đo độ chênh áp này có 
thể xác định được lưu lượng của dòng chảy. 
Từ Hình 14 áp dụng phương trình Bernoulli cho lưu 
chất chảy qua lỗ ta có vận tốc cực đại W2 được xác định 
như sau [7], [8]: 
( )' '2 1 2
2 2
1 2
. .
.
W p p
  
= −
−
,[m/s] (1) 
Trong đó: 
- p1’, p2’ - Áp suất tĩnh tại tiết diện A-A và B-B; 
- ρ - Tỉ trọng chất lưu; 
- ξ - Hệ số tổn thất thuỷ lực; 
-  - Tỉ số thu hẹp của màng ngăn, = F0/F1; 
- μ - Hệ số thu hẹp dòng chảy, μ = F2/F0. 
Thường ta không đo độ giảm áp Δp’ = p’1 - p’2 ở tiết 
diện A-A và B-B, mà đo độ giảm áp Δp = p1 - p2 ngay trước 
và sau lỗ thu hẹp. Quan hệ giữa Δp’ và Δp có dạng: 
( ) ( )' '1 2 1 2.p p p p− = − (2) 
Khi đó: ( )2 1 2
2 2
2
. .
.
W p p

  
= −
−
,[kg/h] (3) 
Mặt khác, ta có lưu lượng khối lượng của lưu chất: 
2 2. .G W F = , [kg/h] (4) 
Với μ = F2/F0  F2= μ .F0 , [m2] (5) 
Thay (3) và (5) vào (4) ta có 
( )2 0 1 2
2 2
.
. . 2. .
.
W F p p


  
= −
−
,[kg/h] (6) 
Đặt 
2 2
.
.
dC

  
=
−
 - gọi là hệ số lưu lượng. 
Suy ra ( )0 1 2. . 2. .dG C F p p= − , [kg/h] (7) 
Từ các biểu thức trên và 
2
2
0
4
d
F

= , ta nhận được công 
thức xác định lưu lượng khối của dòng lưu chất là: 
( )
2
2
1 2. . 2. .
4
d
d
G C p p

= − , [kg/h] (8) 
Trên cơ sở thực nghiệm người ta xác định hệ số lưu 
lượng cho mỗi lỗ thu hẹp và xem như không đổi trong 
phạm vi số Reynol giới hạn. 
Bảng 2. Hệ số lưu lượng Cd theo chỉ số Re [1], [3] 
Cd 
 
Số Reynolds- Re 
104 105 106 107 
0,2 0,60 0,595 0,594 0,594 
0,4 0,61 0,603 0,598 0,598 
0,5 0,62 0,608 0,603 0,603 
0,6 0,63 0,61 0,608 0,608 
0,7 0,64 0,614 0,609 0,609 
3.2. Xác định khối lượng riêng biogas 
Khối lượng riêng biogas 𝜌𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 với hàm lượng 
methane %𝐶𝐻4 ở điều kiện nhiệt độ 𝑇𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 và áp suất 
𝑃𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 được xác định theo công thức sau: 
𝜌𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 =
𝑀𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠
𝑀𝑎𝑖𝑟
. 𝜌𝑎𝑖𝑟 (9) 
Trong đó: 
✓ 𝑀𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠: khối lượng mol của biogas với giả thiết chỉ 
bao gồm CH4 và CO2. 
𝑀𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 = 16,043 ∗ %𝐶𝐻4 + 44.01 ∗ (1 −%𝐶𝐻4) (10) 
✓ 𝑀𝑎𝑖𝑟 = 29,0: khối lượng mol của không khí. 
✓ 𝜌𝑎𝑖𝑟: khối lượng riêng của không khí ở điều kiện 
nhiệt độ 𝑇𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 và áp suất 𝑃𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 
𝜌𝑎𝑖𝑟 =
𝑃𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠
𝑇𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠
.
𝑇𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙
𝑃𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙 . 𝜌𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙 (11) 
3.3. Cân chuẩn bộ đo lưu lượng orifice 
Lưu lượng khối lượng đi qua bộ đo orifice có dạng: [5] 
�̇� = √𝜌. 𝐾. ∆𝑃 (12) 
Trong đó: 
- �̇�: lưu lượng khối lượng; 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 43 
- 𝜌: khối lượng riêng; 
- 𝐾: hệ số đặc trưng của đĩa orifice, được giả thiết là 
hằng số; 
- ∆𝑃: độ chênh lệch áp suất trước và sau đĩa orifice. 
Sau khi chế tạo, bộ đo được cân chuẩn (calibration) 
bằng không khí ở điều kiện nhiệt độ 𝑇𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙 và áp suất 𝑃𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙 
(tương ứng với khối lượng riêng 𝜌𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙) để xác định quan hệ 
giữa �̇� và ∆𝑃. Quan hệ này có dạng: 
�̇�𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙 = √𝜌𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙 . 𝐾. ∆𝑃 (13) 
Quá trình cân chuẩn và chương trình đo độ chênh lệch 
áp suất ∆𝑃 và xác định lưu lượng �̇�𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙 theo công thức (13). 
Khi sử dụng bộ đo orifice để đo lưu lượng biogas có khối 
lượng riêng 𝜌𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠, �̇�𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙 sẽ được hiệu chỉnh để xác định 
lưu lượng biogas cần đo �̇�𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠: 
 �̇�𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 = �̇�𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙 . √
𝜌𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠
𝜌𝑎𝑖𝑟
𝑐𝑎𝑙 (14) 
1 2
3 4
51. Bộ đo lưu lượng chuẩn ABB Sensy Flow
2. Bộ đo lưu lượng orifice
3. Quạt hút
4. Motor 3 pha
5. Biến tần điều khiển 
Hình 15. Sơ đồ nguyên lý cân chuẩn bộ đo lưu lượng orifice 
Hình 16. Quan hệ giữa lưu lượng không khí và 
điện áp ra của cảm biến 
Từ đồ thị trình bày trên Hình 16 ta rút ra đượng phương 
trình quan hệ giữa lưu lượng không khí và điện áp ra: 
Q = 0,179U5 – 2,4657U4 + 12,639U3 – 30,161U2 
 + 38,776U – 2,9532 (16) 
3.4. Bộ đo lưu lượng orifice 
Hình 17 giới thiệu cấu tạo của ống đo lưu lượng kiểu orifice. 
Thông số chính của bộ đo: 
- Giới hạn đo tức thời cực đại : 34,0 kg/h 
- Giới hạn đo tức thời cực tiểu : 15%FS 
- Sai số đo tĩnh : <  2,5%FS 
- Nguồn điện : 220V~50Hz 
Hình 17. Cấu tạo ống đo orifice 
1 2
43
5
1. Cảm biến áp suất MAP 1
2. Cảm biến áp suất MAP 2
3. Bộ khuếch đại vi sai
4. Bộ thu thập dữ liệu
5. Máy tính 
Hình 18. Sơ đồ nguyên lý bộ đo lưu lượng kiểu ống orifice 
Khi lưu lượng biogas đi vào ống đo thì tiếp xúc với 
màng do có lỗ thu hẹp. Khi đó, áp suất trước và sau màng 
đo sẽ được cảm biến áp suất 1 và 2 ghi nhận và truyền tín 
hiều về bộ khuếch đại 3. Tại đây, tín hiệu được khuếch đại 
lên và truyền đến bộ thu nhận dữ liệu 4, bộ thu nhận dữ liệu 
xử lý và truyền tín hiệu đến máy tính hiển thị cho kết quả 
đo (Hình 18, Hình 19). 
Hình 19. Giao diện của chương trình ghi nhận dữ liệu đo của 
bộ đo lưu lượng biogas 
3.5. Kết quả thực nghiệm trên động cơ EV2600NB 
Trong quá trình vận hành động cơ dual fuel biogas-
diesel, việc điều chỉnh công suất được thực hiện thông qua 
điều chỉnh lưu lượng biogas cung cấp cho động cơ, thông 
qua đó điều chỉnh hệ số tương đương . Các nghiên cứu lý 
thuyết và thực nghiệm đều cho thấy rằng, công suất cực đại 
của động cơ đạt được khi hệ số tương đương của hỗn hợp 
đạt giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết nghĩa là  = 1. Do đó, 
đường đặc tính ngoài của động cơ dual fuel là đường đặc 
tính công suất ứng với  = 1. Do nguồn cung cấp biogas có 
chất lượng thay đổi nên khi thiết kế hệ thống cung cấp 
biogas cho động cơ ta chọn đường kính ống cung cấp 
biogas đảm bảo cho hệ số tương đương ứng với  = 1, với 
biogas chứa thành phần CH4 thấp nhất và động cơ chạy ở 
44 Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Văn Anh 
tốc độ cao nhất. Khi thành phần CH4 trong biogas cao hơn 
hay động cơ chạy ở tốc độ định mức thấp hơn, ta chỉnh lại 
độ mở cực đại của bướm ga để đạt  = 1. 
Hình 20 giới thiệu biến thiên hệ số tương đương  theo 
độ mở bướm ga ứng với biogas có chứa 60%, 70% và 80% 
CH4 và động cơ chạy ở tốc độ 2.000 vòng/phút. Kết quả 
này cho thấy rõ hàm lượng CH4 trong biogas càng cao thì 
hệ số tương đương  của hỗn hợp càng cao ứng với một độ 
mở bướm ga cho trước. Để đạt được hệ số tương đương 
=1 khi biogas chứa 60% CH4, bướm ga phải mở 90%. 
Trong khi đó, ứng với biogas chứa 70% CH4, điều kiện này 
đạt được ứng với độ mở bướm ga 65% và ứng với biogas 
chứa 80% CH4, ứng với độ mở bướm ga 55%. 
Hình 20. Biến thiên hệ số tương đương  theo độ mở bướm ga 
khi động cơ chạy ở tốc độ 2.000 vòng/phút 
1 - Ứng với biogas có chứa 80% CH4; 2 - Ứng với biogas có 
chứa 70% CH4; 3 - Ứng với biogas có chứa 60% CH4. 
Từ kết quả khi chạy thực nghiệm ta tiến hành xác định 
kích thước lỗ cấp chính tương ứng với từng loại nhiên liệu 
có thành phần biogas khác nhau. 
Bảng 3. Đường kính lỗ cấp chính của nhiên liệu biogas 
Nhiên liệu biogas 60% CH4 70% CH4 80% CH4 
Đường kính lỗ 
cấp chính (mm) 
17,07 14,83 13,59 
4. Kết luận 
Kết quả nghiên cứu của bài báo này cho ta rút ra một số 
kết luận sau: 
- Bộ đo lưu lượng biogas theo nguyên lý chênh áp được 
áp dụng cho hệ thống đo lưu lượng khí biogas cung cấp cho 
động cơ dual fuel biogas diesel. Khi áp dụng cho động dual 
fuel biogas diesel EV2600NB thì dựa vào hệ thống đo 
chúng ta đã xác định được các kích thước cơ bản của lỗ cấp 
chính tương ứng với hàm lượng CH4 có trong biogas. 
- Hệ thống đo lưu lượng kế kiểu ống orifice có độ chính 
xác và tín hiệu đầu ra dưới dạng điện áp nên thuận lợi trong 
việc thiết lập hệ thống điều khiển tự động. 
- Trong điều kiện nước ta, việc chế tạo bộ đo lưu lượng 
cho động cơ dual fuel biogas-diesel gặp khó khăn về mặt 
kỹ thuật. Do đó, việc sử dụng các cảm biến áp suất trên các 
loại ô tô để chế tạo bộ đo lưu lượng biogas có kích thước 
phù hợp để áp dụng trên động cơ dual fuel biogas-diesel là 
rất thiết thực. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Anh, Nguyễn Việt Hải, Võ Anh Vũ, Bùi 
Văn Hùng, “Phát triển phương pháp đo hệ số tương đương ϕ của 
động cơ dual fuel biogas diesel”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 
Đại học Đà Nẵng, Số 05(90), 2015, trang 43-46. 
[2] Bùi Văn Ga, Nguyễn Văn Anh, Nguyễn Việt Hải, Võ Anh Vũ, Bùi 
Văn Hùng, “Đo thực nghiệm hệ số tương đương  và nghiên cứu ảnh 
hưởng nó đến tính năng công tác của động cơ dual fuel biogas-
diesel”, Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí 
toàn quốc năm 2015, trang 225-232. 
[3] Võ Anh Vũ, Nghiên cứu xác định ảnh hưởng độ đậm của hỗn hợp 
đến tính năng của động cơ sử dụng biogas, Luận văn thạc sỹ kỹ 
thuật, Đại học Đà Nẵng, 2014. 
[4] American Society of Mechanical Engineers, Measurement of Fluid 
Flow in Pipes Using Orifice, Nozzle and Venturi, ASME Standard 
MFC-3M-1989, Reaffirmed 1995. 
[5] Ahmet Baylar, M. Cihan Aydin, Mehmet Unsal and Fahri Ozkan, 
“Numerical Modeling of Venturi Flows for Determining Air 
Injection Rates Using Fluent V6.2”, Mathematical and 
Computational Applications, Vol. 14, No. 2, 2009, pp. 97-108. 
[6] Roger C. Baker, Industrial designs, Handbook Flow Measurement, 
Operating principles, Performance and Application, 2000. 
[7] Nguyễn Ngọc Ẩn, Nguyễn Thị Bảy, Lê Song Giang, Huỳnh Công 
Hoài, Lê Thị Minh Nghĩa, Nguyễn Thị Phương, Nguyễn Thiện 
Tống, Giáo trình Cơ lưu chất, NXB Đại học Quốc gia Thành phố 
Hồ Chí Minh. 
[8] Richard Thorn, Adrian Melling, Herbert Köchner, Reinhard Haak, 
Zaki D. Husain, Donald J. Wass, David Wadlow, Harold M. Miller, 
Halit Eren, Hans-Peter Vaterlaus, Thomas Hossle, Paolo Iordano, 
Christophe Bruttin, Wade M. Mattar, James H. Vignos, Nam-Trung 
Nguyen, Jesse Yoder, Rekha, Philip-Chandy, Roger Morgan, 
Patricia J. Scully, Flow Measurement, 1999. 
(BBT nhận bài: 14/11/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 13/4/2018)