Термоанемометрические пленочные расходомеры воздуха

Применение

Точное регулирование соотношения воз-духа-топлива в двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием позволяет определить объем воздуха, который необходим для оптимальной работы двигателя. Для этого термоанемометрический пленочный расходомер измеряет парциальный поток фактически потребленного воздуха. Он учитывает также пульсации и обратные потоки, вызванные открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов. Изменения температуры или давления поступающего воздуха не влияют на точность измерений.

Установка термоанемометрического пленочного расходомера HFM5

Термоанемометрический пленочный расходомер HFM5 находится в своем корпусе (рис. 1, поз. 5) в измерительной трубке (рис. 3, поз. 6), имеющей различный диаметр в зависимости от объема воздуха, необходимого для двигателя (370...970 кг/ч).

Эвдиометр обычно включает выпрямитель потока, который обеспечивает равномерность прохождения воздуха. В качестве выпрямителя потока используется либо комбинация пластиковой решетки с направленным действием и металлической сетки, либо только металлическая сетка (рис. 3, поз. 8). Эвдиометр расположен за воздушным фильтром во впускном тракте. Существуют также вставные датчики, которые устанавливаются в воздушном фильтре.

Основными компонентами датчика являются измерительная ячейка, находящаяся в потоке измеряемого парциального потока воздуха во впускном отверстии (рис. 1, поз. 8) (4), а также интегрированная электроника, обрабатывающая данные (3).




Измерительная ячейка датчика состоит из полупроводникового субстрата. Чувствительная поверхность создается за счет мембраны, которая производится путем микромеханической обработки. На этой мембране располагаются сопротивления, чувствительные к изменению температуры. Элементы электроники, обрабатывающей данные (гибридная схема), расположены на керамическом субстрате. Благодаря этому можно гарантировать малые размеры датчика. Электроника для обработки данных опять-таки соединяется с прибором управления с помощью электрических подключений (1).

Измерительный канал парциального потока (6) имеет такую форму, благодаря которой воздух может без завихрений проходить мимо измерительной ячейки датчика и через выпускное отверстие (7) возвращаться обратно в эвдиометр. Длина и положение впускного и выпускного отверстий измерительного канала парциального потока выбираются так, чтобы датчик мог успешно работать даже при сильно пульсирующих потоках.

Принцип действия

Термоанемометрический пленочный расходомер HFM5 является термическим датчиком. Он работает согласно следующему принципу: на измерительной ячейке датчика (рис. 3, поз. 3) центрально расположенный реостат накала нагревает мембрану датчика (5) и поддерживает ее постоянную температуру. За пределами этой регулируемой зоны накала (4) температура падает с обеих сторон.




Два температурозависимых сопротивления, расположенных симметрично относительно реостата накала по течению и против течения потока на мембране (точки измерений М₁, М₂), считывают распределение температуры на мембране. Без нагнетания воздуха профиль температуры (1) с обеих сторон одинаковый (Т₁=Т₂).

Если воздух проходит через измерительную ячейку датчика, равномерный профиль температуры на мембране изменяется (2). Со стороны впуска находится де литель температурной характеристики, поскольку проходящий мимо поток воздуха охлаждает эту зону. На противоположной стороне температурная характеристика изменяется, поскольку проходящий поток воздуха нагрет элементом накала. Изменение распределения температур приводит к возникновению разницы температур (ΔТ) между точками измерений M₁ и М₂.

Тепло, отданное воздуху, а вместе с тем и температурная характеристика на измерительной ячейке датчика зависит от протекающего потока воздуха. Разница температур (независимо от абсолютной температуры протекающего воздуха) является измерительной величиной для объема потока воздуха. Кроме того, она не зависит от направления, поэтому расходомер объема воздуха может определять как значение, так и направление потока воздушной массы.

Из-за очень тонкой микромеханической мембраны датчик очень быстро реагирует на изменения (≤15 мс). Это очень важно особенно при наличии сильно пульсирующих потоков воздуха.

Встроенная в датчик электроника для обработки данных превращает разницу сопротивлений в точках измерений М₁ и М₂ в аналоговый сигнал с напряжением от 0 В до 5 В. С помощью графика характеристик датчика, сохраненной в приборе управления двигателем (рис. 2), измеренное напряжение преобразуется в значение потока воздушной массы (кг/ч).




График характеристик изображен таким образом, что интегрированная диагностика в приборе управления может определять помехи, такие как, например, разрыв провода. В термоанемометрическом пленочном расходомере HFM5 можно интегрировать дополнительный температурный датчик для обработки данных. Для определения воздушной массы он не нужен.

Загрязнение мембраны датчика пылью, грязной водой или маслом становится причиной неправильных показаний датчика воздушной массы. В целях повышения надежности HFM5, было разработано защитное устройство, которое с помощью отбойной решетки предотвращает проникновение грязной воды и пыли к сенсорному элементу (HFM5-CI; с байпасом С-образной формы и внутренней трубкой (I), которые совместно с отбойной решеткой обеспечивают защиту датчика).

Термоанемометрический пленочный расходомер HFM6

Датчик HFM6 использует сенсорный элемент HFM5 и функционирует соответствующим образом. Он отличается только двумя важными моментами:

• интегрированная электроника для обработки данных работает в цифровом режиме, что позволяет добиться большей точности измерений;
• изменена конструкция канала для измерения парциального потока, что позволяет обеспечить защиту от загрязнения непосредственно по ходу сенсорного элемента (по аналогии с отбойной решеткой в датчике HFM5-CI).

Цифровая электроника

На основании параметров сопротивлений в точках измерений M₁ и М₂ (рис. 3) с помощью мостовой схемы создается сигнал напряжения, который является критерием воздушной массы. Для последующей обработки сигнала он преобразуется в цифровой.


При определении воздушной массы датчик HFM6 учитывает также и температуру впускаемого воздуха. За счет этого значительно повышается точность определения воздушной массы.

Измерение температуры впускаемого воздуха осуществляется с помощью температуронезависимого сопротивления, интегрированного в цепь управления для контроля температуры зон накала. По падению напряжения на этом сопротивлении с помощью преобразователя аналогового сигнала в цифровой определяется цифровой сигнал для температуры впускаемого воздуха. Сигналы воздушной массы и температуры впускаемого воздуха передаются в блок обработки, где сохраняются корректировочные значения сигнала воздушной массы.

Усовершенствованная защита от загрязнения

В целях усовершенствования защиты от загрязнений измерительный канал парциального потока состоит из двух частей (рис. 4). Канал, проходящий мимо сенсорного элемента, имеет острую кромку (1), вокруг которой протекает воздух. Тяжелые частицы не могут выполнять данное огибательное движение и отделяются от парциального потока. Они выходят из датчика через второй канал (5). Таким образом к сенсорному элементу (3) попадает гораздо меньшее количество загрязненных частиц и капель, за счет чего уменьшается степень загрязнения и продлевается срок службы расходомера даже при работе в сильно загрязненном воздухе.