УДК 681.3.06
Вадим Фридрихович Яковлев, доцент
Антон Сергеевич Буцко, студент 3-ЭТ-5
Самарский государственный технический университет
Термоанемометрические датчики
Наиболее распространены так называемые термоанемометрические датчики. Они представляют собой помещенный во впускной трубопровод нагреваемый электрическим током проводник, сопротивление которого сильно зависит от температуры. Чем выше скорость движения окружающей проводник среды, тем больше теплоотдача и ниже температура, а, следовательно, и сопротивление проводника. Таким образом, изменяется сила тока, проходящего в цепи проводника. Для работы датчика необходима температурная компенсация, которая достигается путем помещения аналогичного проводника в неподвижную среду. Измерение расхода осуществляется путем сравнения сопротивлений этих двух проводников. Датчик, состоящий из одного такого проводника, может служить для измерения температуры.
На рисунке 1 показана типичная электрическая схема термоанемометрического датчика расхода воздуха. Два термочувствительных резистора (проволочки) помещены в поток воздуха, поступающего во впускной коллектор. RH нагревается током I2 до температуры, превышающей температуру забортного воздуха на 100…200 градусов. RК не нагрет и служит для определения температуры поступающего воздуха. Эти два резистора вместе с R1, R2 и R3 образуют измерительный мост. Сопротивление RК + R1+ R2 гораздо больше, чем RH + R3 и I3 гораздо меньше I2.
Рис.1.Электрическая схема термоанемометрического датчика
При постоянном расходе воздуха мост уравновешен и входные напряжения операционного усилителя V1 и V2 равны. Если приоткрыть дроссельную заслонку, поток воздуха возрастет, резистор RH будет сильнее охлаждаться, его электрическое сопротивление уменьшится, V1 увеличится, мост утратит состояние равновесия, выходной ток операционного усилителя I1 увеличится. Рост тока I2 увеличит нагрев, мост вернется в состояние равновесия, но уже при других значениях I1. Таким образом изменение расхода воздуха оказывается связанным с значением напряжения.
Масса воздуха, прошедшего в единицу времени через датчик определяется формулой
Q = k(I2)n,
Где n принимает значения 5…8, k – константа, определяемая конструкцией датчика, ток I2 находится в диапазоне 0.5…1.5 А в зависимости от положения дроссельной заслонки.
Выходное напряжение датчика V1 не линейно связано с массой воздуха Q, что учитывается программным обеспечением ЭБУ двигателя. Обычно V1 имеет значение 2 В на холостом ходе, увеличиваясь до 7 В при полном открытии дроссельной заслонки.
Рис.2.Термоанемометрический датчик в сечении и внешний вид.
1 – основной проход для воздуха, 2 – байпасс, 3 – нагретый резистор, 4 – холодный резистор, 5 – диффузор, 6 – микромодуль
Термоанемометрические датчики воздуха имеют преимущества по сравнению с датчиками с измерительной заслонкой:
- Выходной сигнал датчика пропорционален массе воздуха, нет необходимости вводить коррекцию по температуре забортного воздуха и по высоте местности
- В поток воздуха почти не вносятся возмущения
- Нет подвижных частей
- Высокое быстродействие на уровне миллисекунд
Термоанемометрические датчики могут оказываться излишне чувствительными, тогда применяется то или иное электронное сглаживание сигнала.
На рисунке 2 показана конструкция типичного термоанемометрического датчика. Он состоит из литого алюминиевого корпуса и гибридного интегрального модуля. Воздух проходит через основной канал 1 и через байпасс 2, в котором размещены нагреваемый 3 и холодный 4 резисторы. Основной канал имеет диффузор 5, сбоку закреплен микромодуль 6. Такая конструкция минимизирует смещение выходного сигнала за счет налипания пыли на проволочки и уменьшает риск повреждения датчика обратным выбросом раскаленных газов из цилиндра.
Проволочки имеют диаметр около 70 микрон и выполняются из платины. Для механической прочности их наматывают на стеклянные изоляторы.
В некоторых моделях термоанемометрических датчиков при выключении ключа зажигания предусмотрен кратковременный нагрев проволочек до температуры 1000 градусов. Это делается для сжигания частиц пыли и грязи, которые прилипают к резисторам и могут привести к погрешностям.
В современных моделях автомобилей вместо проволочных резисторов используются металлокерамические на основе кремния. Это более надежная и простая конструкция.
Интегральная схема 6 содержит компоненты, показанные на рисунке 2, фильтр и стабилизатор напряжения.
Датчик Кармана
Если узкий стержень разместить поперек воздушного потока, за ним начнут образовываться завихрения (вихри). Принцип работы датчика Кармана основан на измерении частоты появления вихрей, которые образуются за поперечным стержнем в потоке воздуха. Скорость потока воздуха V определяется уравнением:
V = f·(d/St)
Где d – константа, зависящая от геометрии стержня, St – число Струхаля, критерий подобия неустановившихся движений текучих сред (для конструкций автомобильных датчиков расхода воздуха St ≈ 0.23), f – частота генерации вихрей. По частоте из этого уравнения определяют V, затем по известному поперечному сечению входного канала датчика объем воздуха.
Частоту образования вихрей определяют ультразвуковым методом или по вариациям давления.
В ультразвуковых датчиках (Рис.3) используется измерение доплеровского сдвига частоты ультразвуковой волны (обычно 50 кГц) при ее рассеянии движущейся средой (потоком воздуха). Частоту генерации вихрей определяют по этому сдвигу.
Датчики, аналогичные представленному на рисунке 4, использовались на двигателях с центральным впрыском автомобилей Chrysler.
Рис.3. Датчик Кармана автомобилей Chrysler
Датчики на основе подсчета числа вихрей по вариациям давления гораздо дешевле, в них полупроводниковый, чувствительный к изменениям давления элемент, расположен непосредственно за вихреобразующим стержнем. Вихрь, появляющийся за стержнем, вызывает изменение давления, которое преобразуется в электрический импульс, поступающий в ЭБУ двигателя. Конструкция датчика Кармана показана на рисунке 4. Он состоит из формирователя ламинарного потока на входе, треугольного поперечного стержня – генератора вихрей и датчика давления. В корпусе также размещены датчики температуры и барометрического давления для определения массы поступающего воздуха по его объему. На холостом ходу датчик выдает сигнал с частотой около 100 Гц, при полной загрузке двигателя – около 2000 Гц.
Рис.4.Датчик Кармана c измерением вариаций давления
Литература
1. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф.Новейшие автомобильные электронные системы. М.: Солон-Пресс, 2005. 256 с.
2. Ютт В.Е., Электрооборудование автомобилей, 2-е издание. М.: Транспорт, 2003. 365 с.
3. Ribbens W. B. Understanding automotive electronics.Burlington,USA: Newnes publications, 2009. 481 с.