Ремонт и техническое обслуживание автомобилей




Датчики расхода жидкостей и газов




Общие сведения

Датчики расхода используются в автомобилях в основном для реализации функций управления двигателем. С помощью расходомера производится непосредственное измерение массы поступающего воздуха по объемному расходу и регулированием количества подаваемого в двигатель топлива. Выходной сигнал таких датчиков аналоговый (0...4 В) или частотный.

Кроме того датчики расхода иногда используются при определении расхода топлива для информационной системы водителя по разности между количеством топлива, поданного к форсункам и возвращенным в бак.

датчики расхода жидкостей и газов

В некоторых ЭСАУ двигателей используется расходомер при определении расхода дополнительного воздуха в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Подача дополнительного воздуха осуществляется насосом при прогреве двигателя (когда рабочая смесь богатая) для минимизации токсичных веществ СО и СН. Исправность насоса контролируется по расходу воздуха.

Датчики расхода имеют принцип действия, основанный на измерении одного из следующих параметров:

  • угла отклонения парусной заслонки или скорости вращения турбины, находящейся в потоке среды (жидкости или газа);
  • частоты вращения вихревых потоков за рассекателем;
  • падения давления среды после прохождения ею препятствия (дросселя);
  • изменения температуры находящегося в потоке среды нагретого тела.

По виду выдаваемой информации датчики расхода жидкостей и газов подразделяют на:

  • расходомеры;
  • массметры.

Расходомеры

Объемные расходомеры измеряют расход жидкости или газа (воздуха) по пропущенному через чувствительный элемент объему среды. К таким датчикам относятся расходомеры воздуха для ЭСАУ бензиновых двигателей.
Расходомеры могут быть:

  • механическими – с круглым плавающим ротаметром;
  • потенциометрическими – с парусной измерительной заслонкой;
  • вихревыми (датчики Кармана) – с рассекателем воздушного потока, выполняющего функцию генератора воздушных завихрений, частота или вариации давления в которых несут информацию об объеме пропущенного воздуха.

В потенциометрическом расходомере (рис. 2, а) поток 1 воздуха, засасываемый в двигатель, оказывает динамическое давление на подпружиненную заслонку 5 отклоняющуюся на некоторый угол в зависимости от количества проходящего воздуха.
Для гашения колебаний заслонки 5, вызываемых пульсирующим движением засасываемого потока воздуха, она имеет жестко связанную с ней успокоительную заслонку 7 и успокоительную камеру 6.

Успокоитель работает как «воздушный» демпфер: при резких скачках скорости проходящего воздуха, заслонка 7 демпфирует о сжимаемый ей воздух в камере 6, тем самым гася колебания на заслонке 5.
Канал 3 служит для подачи воздуха в двигатель на холостом ходу, а на случай «обратной вспышки», заслонка 5 снабжена подпружиненным клапаном 4. На оси заслонок закреплен потенциометр.

При измерении расхода жидкости (например, бензина) обычно применяются расходомеры с вращающейся в потоке турбиной, где по частоте вращения турбины определяется объем пропущенной жидкости, а, следовательно, и массы, т.к. при изменении температуры объем жидкостей изменяется незначительно (с небольшой погрешностью значение объема соответствует массе жидкости).

Датчики Кармана это вихревые расходомеры воздуха. Если узкий стержень (рассекатель) разместить поперек равномерного воздушного потока, то за стержнем начнут образовываться завихрения.

Принцип работы датчика Кармана основан на измерении частоты вращения вихревых потоков, которые образуются за поперечным стержнем в потоке всасываемого воздуха. По частоте определяется скорость потока и объем воздуха. Частоту генерации вихрей определяют ультразвуковым методом или по вариациям давления.
В ультразвуковых датчиках (рис. 1, а) частоту генерации вихрей определяют по доплеровскому сдвигу частоты ультразвуковой волны (обычно 50 кГц) при ее рассеянии движущейся средой (потоком воздуха).

устройство и работа датчиков Кармана

Рис. 1. Датчик Кармана:
а) ультразвуковой; б) с измерением вариаций давления

Датчики Кармана на основе подсчета числа вихрей по вариациям давления полупроводниковый, чувствительный к изменениям давления элемент расположен непосредственно за вихреобразующим стержнем (рассекателем). Вихрь, появляющийся за стержнем, вызывает изменение давления, которое преобразуется в электрический сигнал, поступающий в ЭБУ двигателя (рис. 2, б).

Такие датчики имеет формирователь ламинарного потока (ламинатор) на входе, треугольный поперечный стержень (рассекатель) – генератор вихрей и емкостной датчик давления.
В корпусе также размещаются датчики температуры и барометрического давления для определения массы поступающего воздуха по его объему. На минимальных оборотах холостого хода датчик выдает сигнал с частотой около 100 Гц, при полной нагрузке двигателя – около 2000 Гц.




Массметры

В массметрах расход текучей среды (жидкости или газа) определяется непосредственно по массе. В отличие от расходомеров они более точны (т. к. объем газообразных сред значительно зависит от температуры и давления). Поэтому в расходомерах воздуха, используемых в ЭСАУ бензиновых двигателей, имеется корректирующие датчики температуры и датчики атмосферного давления.

В современных ЭСАУ применяются термоанемометрические датчики массового расхода воздуха (рис. 2, б) (от греч. anemos – ветер), основанные на использовании закономерности теплообмена между подогреваемой током проволокой (платиновой нитью), помещенной в трубопровод, и потоком засасываемого воздуха, охлаждающего эту нить.

Чем больше нить отдает теплоты, тем ниже ее температура и меньше сопротивление, вследствие чего поддерживание заданного уровня нагрева нити требует большего тока подогрева, что и позволяет измерять скорость потока и расход массы воздуха, измеряя электрические величины.

В корпусе термоанемометра 8 встроено кольцо 1, внутри которого размещены, чувствительный элемент 2, представляющей собой платиновую нить диаметром около 0,1 мм, и термокомпенсационный резистор 3, включенные в мостовую измерительную цепь электронного модуля 14, поддерживающего температуру нити на требуемом уровне нагрева (около 150 ˚С). Поскольку температура нити зависит также от температуры проходящего воздуха, то термокомпенсационный резистор 3 вносит коррективы в работу модуля 14, сигналы которого поступают в ЭБУ и используются для расчета длительности импульса открытия форсунки. На входе в корпус 8 и выходе из него установлены предохранительные сетки 6.

датчики и измерители расхода воздуха

Рис. 2. Измерители расхода воздуха:
а) механический: 1 - поток воздуха из фильтра; 2 - поток воздуха на входе во впускную систему; 3 - байпасный канал; 4 - клапан; 5 - заслонка; 6,7 - успокоитель и его заслонка;
б) термоанемометрический: 1 - кольцо опорное; 2 - платиновая проволока (нить); 3 - термокомпенсационный резистор; 4 - кронштейн; 5 - электронный модуль; 6 - предохранительные сетки; 7 - запорное кольцо; 8 - корпус; 9 - винт регулировки CO; 10 - крышка; 11 - электрический разъем; 12 - контакты; 13 - уплотнение; 14 - электронный модуль

С течением времени нить загрязняется, что приводит к смещению характеристики датчика. Для очистки нити от грязи после выключения двигателя (при выполнении определенных условий) ЭБУ подает на нее прожигающий до 900…1000 ˚C импульс тока в течение 1 секунды.

Конструкция иного термоанемометра (рис. 3) представляет собой автономный блок, устанавливаемый во впускном тракте двигателя. В корпусе 6 размещается внутренний измерительный канал 4, состоящий из пластмассовых обойм, которые окружают несущие кольца. В кольцах расположены нагреваемая платиновая нить 8 и термокомпенсационный пленочный резистор 7. Над радиатором 3 под крышкой 2 размещается электронный модуль.

термоанемометрический датчик массового расхода воздуха

Рис. 3. Термоанемометрический датчик массового расхода воздуха:
а) устройство датчика; 1 - измерительная микросхема; 2 - крышка; 3 - радиатор; 4 - измерительный канал; 5 - защитная сетка; 6 - корпус;
б) устройство измерительного канала; 7 - прецизионное сравнительное сопротивление (термокомпенсатор RК); 8 - платиновая нить; 9 - датчик температуры;
в) электрическая измерительная схема; ЭМ – электронный модуль; IН – ток нагрева нити; RН – сопротивление платиновой нити; UН – выходной сигнал датчика; R1, R2, R3 – сопротивления измерительной схемы

Платиновая нить и пленочной резистор находятся в воздушном потоке и подключены к электронному модулю так, что являются плечами RК и RН измерительного моста.
Мост с помощью сопротивлений и электронного модуля сбалансирован под данную температуру всасываемого воздуха так, что ток подогрева платиновой нити IН обеспечивает постоянную разность температур между компенсатором RК и нитью RН (Δt = 150 ˚С = const).

Как только скорость воздушного потока или его плотность изменятся (изменится интенсивность теплообмена между нитью и потоком воздуха), электрическое сопротивление платиновой нити также соответственно изменится (увеличится при падении интенсивности или уменьшится при ее росте). Произойдет разбалансировка измерительного моста, которую восстановит электронный модуль, откорректировав ток нагрева IН под новые условия всасывания воздуха.
Новому значению тока нагрева IН будет отвечать новое значение падения напряжения UН на резисторе R3, которое является сигналом для ЭБУ о массе пропущенного воздуха в единицу времени.

Характерные параметры датчика:

  • напряжение электропитания 8…16 B;
  • ток потребления не более 1,0 A;
  • диапазон измеряемого расхода воздуха 0…500 кг/ч.

Подобный датчик имеет нелинейную зависимость выходного напряжения от массового расхода воздуха, чувствительность меняется от 30 мВ/(кг/ч) в начале характеристики до 3 мВ/(кг/ч) в конце характеристики.

***

Датчик температуры воздуха во впускном коллекторе

Датчики состава выхлопных газов



Главная страница


Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты