RU183325U1 - Датчик массового расхода и температуры воздуха - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к датчикам массового расхода воздуха, потребляемого двигателем внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля. Датчик содержит корпус, внутри которого расположен чувствительный элемент в виде упругой лопасти, и блок обработки сигналов. Сущность полезной модели состоит в том, что расход определяется по величине упругой деформации лопасти в форме треугольника, находящейся в потоке воздуха, при этом интегральный изгиб пропорционален массе проходящего воздуха. Для измерения интегрального прогиба на лопасть нанесены тензорезисторы. Тензорезисторы включены по схеме моста Уинстона, что обеспечивает высокую чувствительность и температурную компенсацию параметров цепи. Сигналы от измерительного моста поступают в электронную схему измерения массового расхода и температуры воздуха. Массовый расход воздуха определяется по измеренному значению интегрального прогиба лопасти, а температура воздуха – по значению полного тока моста. Технический результат - расширение функциональных возможностей, диапазона условий эксплуатации, упрощение конструкции и повышение точности измерения датчика массового расхода и температуры воздуха. 3 ил.

Description

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:

F = [(ρ·ν²)/2]·C_x·S_M (1)

где: ρ — плотность измеряемой среды;

ν — скорость движения среды;

C_x — коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы, относительных размеров тела обтекания и числа Рейнольдса (в соотношении с характерными геометрическими параметрами потока);

S_M — миделевая площадь тела обтекания.

Массовый расход Q_M связан со скоростью потока выражением:

Q_M = ρ·S_O·ν (2)

где: S_O — площадь поперечного сечения измерительного канала.

Учитывая выражение (1), зависимость (2) после преобразований примет вид:

Q_M = (2·S_O·F) / (C_x·S_M·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.

В случае использования полного моста Уинстона (расположения четырех тензорезисторов попарно с двух сторон лопасти) электрический сигнал прямо пропорционален изменению сопротивления R_i тензорезисторов на одну и ту же величину d:

U_c = U₀ · (R₂/(R₁+R₂) – R₃/(R₃+R₄)); (4)

R₁ = R₄ = R – d, R₂ = R₃ = R + d; (5)

U_c = U₀ · d/R, (6)

где U₀ — напряжение питания моста.

Изменение сопротивления пропорционально деформации лопасти, а она, в свою очередь, определяет усреднённую силу давления потока воздуха, т.е. массовый расход его.

Температурное же изменение сопротивления тензорезисторов контролируется по изменению тока, потребляемому мостом I₀. Мост представляет собой параллельное соединение двух ветвей, деформационные изменения в каждой из которых скомпенсированы:

(R₁ + R₂) = 2·R и (R₃ + R₄) = 2·R. (7)

Таким образом, сопротивление моста для источника питания равно R(T) = U₀/I₀(T), то есть является функцией температуры, что позволяет измерять её по измеренному значению тока I₀(T). Сигналы от измерительного моста U_c и I₀(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.

Claims (1)

1. 
   Датчик массового расхода и температуры воздуха, включающий в себя корпус, внутри которого расположен чувствительный элемент, и блок обработки сигналов, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента динамического воздействия воздушного потока используется упруго изгибаемая лопасть в форме треугольника, причем на тыльную и фронтальную по отношению к направлению движения потока воздуха стороны лопасть нанесены тензорезисторы, включенные по схеме моста Уинстона, сигналы от которых включены в электронную схему измерения интегрального прогиба лопасти и полного тока моста, по значениям которых вычисляется массовый расход и температура воздуха.

Images