ДАТЧИК МАССОВОГО РАСХОДА И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения расхода воздуха, потребляемого двигателем внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля.
На сегодняшний день для измерения массового расхода воздуха наибольшее распространение получили датчики на основе термоанемометров различной конструкции [1, 2]. Датчик устанавливается во впускном тракте между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой впускного коллектора двигателя. В процессе эксплуатации датчик данного типа подвержен загрязнению и старению измерительного элемента вследствие взаимодействия с частицами пыли и парами моторного масла, находящимися в потоке воздуха. Это приводит к отклонению выходного сигнала датчика от эталонного значения и, как следствие, к неточному расчёту электронной системой управления двигателем состава топливной смеси. Учитывая конструкцию датчиков данного вида, ремонту они не подлежат, и их меняют на новые. Стоимость нового датчика довольно высокая. Исходя из вышеизложенного, очевидно, что данная проблема является актуальной для автомобилестроительной отрасли.
Известен термоанемометрический датчик массового расхода воздуха [3]. Датчик содержит корпус, внутри которого расположено установочное кольцо с нитью нагрева, подвешенной на закрепляющих элементах в виде крючков, и термокомпенсирующим резистором. В сечении кольца, перпендикулярном оси датчика, нить нагрева выполнена в виде правильного многоугольника с 2+n сторонами, где n не меньше 2, центр которого расположен на оси датчика. В варианте выполнения нить нагрева в виде ломаной линии подвешена по направлению потока под углом α от вертикали, составляющим 0º<α<45º. Начало и конец нити нагрева соединены со схемой управления.
Недостатком известного термоанемометрического датчика массового расхода воздуха является использование нити нагрева, которая быстро загрязняется и обладает малой прочностью к разрушающему действию вибрации и ударов.
В патенте [4] описан датчик расходомера, в гильзе корпуса которого установлена мембрана с закрепленными на ней стержнем и тензопреобразователем. На конце стержня укреплен чувствительный элемент, воспринимающий силу лобового сопротивления потока и имеющий в поперечном сечении форму ромба. Тензопреобразователь выполнен в виде сапфировой пластины с кремниевыми элементами мостовой схемы. Использование в этом датчике кремния в качестве материала тензопреобразователя обуславливает ряд недостатков, главным из которых является нелинейность характеристик, основанная на особенностях зонной структуры кремния. Специфичность зонной структуры кремния приводит к ухудшению таких метрологических характеристик, как точность, линейность сигнала, температурная и временная стабильность. Кроме того, кремний достаточно хрупок.
Известен измеритель расхода воздуха [5]. Устройство содержит подвижную заслонку, к оси которой жестко прикреплены возвратная пружина и токосъемник потенциометра с емкостным съемом информации. К выводам потенциометра параллельно подключен делитель напряжения, состоящий из опорного резистора и резистивного датчика температуры поступающего в двигатель воздуха. Измерительный преобразователь, содержащий компаратор и неинвертирующий интегратор, поочередно через переключатель преобразует расход и температуру в частотно-временные сигналы. Устройство обеспечивает передачу информации о температуре совместно с информацией о расходе воздуха по одному проводному каналу.
Недостатком данного устройства является сложность механической части конструкции.
Задача полезной модели — расширение функциональных возможностей, диапазона условий эксплуатации, упрощение конструкции и повышение точности измерения датчика массового расхода и температуры воздуха.
Поставленная цель достигается тем, что для измерения массового расхода воздуха используется динамический принцип действия, основанный на зависимости перемещения тела обтекания, помещенного в поток и воспринимающего динамическое давление обтекающей его среды, от расхода измеряемой среды. Сила динамического напора, действующая на помещенное в поток тело обтекания, вызвана динамическим давлением, и представляется зависимостью:
2
x
M
F = [(ρ·ν)/2]·C·S      (1)
где:  ρ  —  плотность измеряемой среды;
ν  —  скорость движения  среды;
x
C — коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы, относительных размеров тела обтекания и числа Рейнольдса (в соотношении с характерными геометрическими параметрами потока);
M
S  —  миделевая площадь тела обтекания.
M
Массовый расход Q связан со скоростью потока выражением:
M
O
Q = ρ·S·ν           (2)
O
где:  S  —  площадь поперечного сечения измерительного канала.
Учитывая выражение (1), зависимость (2) после преобразований примет вид:
M
O
x
M
Q = (2·S·F) / (C·S·ν)         (3)
Анализируя выражение (3), можно сделать вывод, что при измерении массового расхода преобразователем, построенном на динамическом принципе действия, отпадает необходимость в измерении плотности измеряемой среды.
Кроме этого, динамический преобразователь массового расхода обладает следующими достоинствами: широкий диапазон измерений, высокое быстродействие (малая инерционность), конструктивная простота, высокая надёжность, удобство обслуживания, высокая точность и повторяемость результатов измерений.
Принцип работы датчика заключается в следующем. Измеряемое давление потока F, действующее на тело обтекания (чувствительный элемент) преобразуется в деформацию. Деформация чувствительного элемента воспринимается тензорезисторами, расположенными на нем, и преобразуется в изменение сопротивления тензорезисторов. Изменение сопротивления тензорезисторов преобразуется в выходной сигнал, значение которого пропорционально деформации, а, следовательно, и входной величине – давлению потока F.
Схема датчика представлена на фиг. 1, 2, 3. Датчик состоит из корпуса 1, блока обработки сигналов 2, внутри которого расположена электронная схема измерения массового расхода и температуры воздуха, а с внешней стороны расположен электрический разъем 3. Тело обтекания или чувствительный элемент датчика 4 представляет собой треугольную лопасть из упруго-гибкого материала, на фронтальной и тыльной (по отношению к потоку) сторонах которой находятся тензорезисторы 5 (по два тензорезистора с каждой стороны лопасти), измеряющие деформацию лопасти.
Треугольная форма лопасти обеспечивает минимальное сопротивление потоку воздуха и минимальное количество мод собственных колебаний лопасти. Тензорезисторы включаются по схеме моста Уинстона, что приводит к повышению измеряемого напряжения и увеличивает чувствительность измерительной цепи. Температурное же изменение сопротивления всех тензорезисторов компенсируется, а полное сопротивление моста зависит от температуры воздуха и используется для её измерения.
Датчик функционирует следующим образом. При изменении скорости воздушного потока меняется аэродинамическое воздействие потока на измерительную лопасть. При этом изменяется интегральная величина деформации лопасти, а также деформация тензорезисторов, расположенных на лопасти: у фронтальных тензорезисторов электрическое сопротивление увеличивается, а у тыльных — уменьшается и, следовательно, изменяется балансировка измерительного моста.
i
В случае использования полного моста Уинстона (расположения четырех тензорезисторов попарно с двух сторон лопасти) электрический сигнал прямо пропорционален изменению сопротивления R тензорезисторов на одну и ту же величину d:
c
0
2
1
2
3
3
4
U = U · (R/(R+R) – R/(R+R));    (4)
1
4
2
3
R = R = R – d,   R = R = R + d;    (5)
c
0
U = U · d/R,                (6)
0
где U — напряжение питания моста.
Изменение сопротивления пропорционально деформации лопасти, а она, в свою очередь, определяет усреднённую силу давления потока воздуха, т.е. массовый расход его.
0
Температурное же изменение сопротивления тензорезисторов контролируется по изменению тока, потребляемому мостом I. Мост представляет собой параллельное соединение двух ветвей, деформационные изменения в каждой из которых скомпенсированы:
1
2
3
4
(R + R) = 2·R  и  (R + R) = 2·R.   (7)
0
0
0
c
0
Таким образом, сопротивление моста для источника питания равно R(T) = U/I(T), то есть является функцией температуры, что позволяет измерять её по измеренному значению тока I(T). Сигналы от измерительного моста U и I(T) поступают в электронную схему, где по заданному алгоритму вычисляется массовый расход и температура воздуха.
Таким образом, предлагаемый датчик массового расхода и температуры воздуха имеет большую функциональность (за счет измерения температуры), расширенный диапазон условий эксплуатации, высокое быстродействие, конструктивную простоту, высокую надёжность, удобство обслуживания, высокую точность и повторяемость результатов измерений.
Источники информации
1. М.В. Горбань, Е.А. Павленко, Методы оценки и способы повышения эксплуатационной надёжности датчиков массового расхода воздуха двигателем. // Надежность. том 17, №4, 2017г. // http://www.dependability.ru/jour/article/view/182.
2. Сысоева С. Новые тенденции и перспективные технологии автомобильных датчиков систем Powertrain и контроля эмиссии. Часть 1. Состояние и перспективы рынка датчиков положения, скорости, датчиков концентрации кислорода (газа), массового расхода воздуха и давления // Компоненты и технологии. 2006. № 7. // http://cyberleninka.ru/article/n/novye-tendentsii-i-perspektivnye-tehnologii-avtomobilnyh-datchikov-sistem-powertrain-i-kontrolya-emissii-chast-1-sostoyanie-i.
3. Патент РФ №2201581, G01F1/69, от 12.11.1999г. Термоанемометрический датчик массового расхода воздуха (его варианты) / Демичев В.В., Хавронин И.В., Сидоров В.В., Аносов А.И.
4. Патент РФ №2112216, G01F1/28 от 01.07.1997г. Датчик расходомера / Мартыненко В.Т., Вайнштейн А.Л., Кукуй А.Я., Кузнеченков В.Л.
5. Патент РФ №2215265, G01F1/28, G01F1/696, G01F15/06, от 28.05.2001г. Измеритель расхода воздуха / Кулапин В.И., Кузнецов Ю.М., Мартяшин А.И., Мартяшин В.А., Сорокин А.В.