ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МАССОВОГО РАСХОДА ВОЗДУХА (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК G01F1/69 

Изобретение относится к приборостроению, в часности к датчикам массового расхода воздуха, потребляемого двигателем внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля в составе комплексной микропроцессорной системы управления.

Известно устройство [1] , которое представляет собой термоанемометрический датчик для измерения расхода воздуха в канале трубы, где нагреваемая проволока располагается в пределах участка трубы, ограниченного сотообразными ячеистыми струевыпрямителями, и представляет собой пространственную ломаную линию, прикрепленную в точках излома к крючкам, установленным на стенках трубы и на проходящей по оси канала трубы тонкой центральной трубке, соединяющей два струевыпрямителя. Прямые отрезки ломаной линии располагаются в направлениях, не перпендикулярных к оси датчика.

Особенностью данного устройства является то, что оно предназначено для измерения переменных в пространстве и во времени воздушных потоков. Однако скорость, а следовательно, и расход измеряется в некотором объеме пространства, что влечет за собой необходимость усреднения результатов измерений, что в значительной степени усложняет схемотехнику данного устройства. Также ломаная пространственная кривая в проекции на плоскость, перпендикулярную к оси трубы, образует неправильный многоугольник, что ведет к увеличению погрешности измерения массового расхода воздуха при наличии осенесимметричности теплового воздушного потока в воздушном тракте ДВС автомобиля.

Известно устройство для измерения массы протекающей среды, в частности всасываемого воздуха в ДВС автомобиля [2].Оно содержит зонд в виде изогнутой в кольцо тонкой пластины, который располагается в воздушном потоке. В зонде установлена нить нагрева, выполненная в виде проволочки Y-образной формы, которая подвешена на трех опорных точках, установленных в зонде. К двум опорным точкам крепятся концы проволоки, например, с помощью сварки или пайки, а через третью точку она проходит свободно с образованием петли.

Недостатком данной конструкции является увеличение погрешности измерения массового расхода за счет увеличения влияния осенесимметричности теплового воздушного потока при установке датчика в воздушный тракт ДВС автомобиля.

Наиболее близким является устройство для измерения массового расхода воздуха [3], включающее в себя пластмассовое кольцо, ограничивающее течение воздуха и нагреваемую нить в сечении этого пластмассового кольца. Температура или сопротивление нагреваемой нити регулируются и меняются в зависимости от измеряемой массы потока воздуха. Нагреваемая нить окружена поддерживающими элементами, укрепленными на кольце, которые направлены вдоль оси пластмассового кольца. Концы нити через поддерживающие элементы связаны со схемой управления. Нагреваемая нить имеет не менее трех закрепляющих элементов.

Особенность этого устройства такова, что в проекции на плоскость, перпендикулярную оси датчика, нагреваемая нить представляет собой неправильный многоугольник, что в условиях осенесимметричного теплового потока является недостаточным для достижения необходимой точности измерения расхода воздуха, т. к. при установке на ДВС автомобиля осенесимметричность воздушного потока резко возрастает. В реальных условиях при установке датчика в криволинейный воздушный тракт ДВС автомобиля суммарный вектор скорости воздушного потока на входе в датчик перпендикулярен по отношению к нити нагрева и, что важно отметить, смещен относительно геометрического центра оси датчика. По этой причине нить нагрева неправильного многоугольника прощупывает осенесимметричную эпюру скоростей набегающего потока воздуха неравномерно.

Причем этот неправильный многоугольник в сечении кольца, перпендикулярном относительно продольной оси датчика, является разомкнутым, что еще в большей степени увеличивает погрешность измерения расхода.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения массового расхода воздуха за счет уменьшения влияния осенесимметричности теплового потока воздуха в воздушном тракте ДВС автомобиля относительно геометрического центра оси датчика.

Указанная цель достигается тем, что в термоанемометрическом датчике массового расхода воздуха, включающем в себя корпус, внутри которого расположено установочное кольцо с нитью нагрева и термокомпенсирующим резистором, основание, сопряженное с корпусом, на котором установлена схема управления, при этом нить нагрева выполнена либо в виде проволочки, либо в виде металлической ленты, представляющей собой ломаную линию в сечении кольца, перпендикулярном оси датчика, подвешенную на закрепляющих элементах, выполненных в виде крючков, установленных на внутренней поверхности кольца, причем начало и конец нити нагрева соединены со схемой управления, при этом нить нагрева пропущена через кольца, расположенные каждое на закрепляющих элементах, кроме элементов, поддерживающих начало и конец нити, при этом начало и конец нити нагрева находятся на расстоянии, достаточном для безопасной работы датчика, кольца, через которые пропущена нить нагрева, выполнены из материала, соответствующего материалу нити, при этом диаметр проволочки кольца соответствует диаметру нити нагрева в виде проволочки, нить нагрева выполнена в виде правильного многоугольника с 2+n сторонами, где n= 2, 3... с центром многоугольника, лежащим на оси датчика.

Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения от прототипа является то, что нить нагрева расположена в пространстве установочного кольца правильным почти замкнутым многоугольником. Это позволяет при установке датчика в криволинейный воздушный тракт ДВС автомобиля, при любом условии воздушного потока на входе датчика добиваться меньшей погрешности измерения расхода воздуха из-за уменьшения влияния осенесимметричности воздушного потока относительно геометрического центра датчика.

Другой разновидностью термоанемометрического датчика массового расхода среды является устройство с иным расположением нити нагрева в установочном датчике.

Известен чувствительный преобразователь [4] с нагреваемой проволокой для комплексного измерения массовых или объемных расходов в трубе, в которую введена одна нагретая проволока. Диаметр этой проволоки меньше диаметра трубы. Чувствительный элемент устанавливают в требуемом положении относительно продольной оси трубы.

Недостатком такой конструкции является возникновение дополнительной погрешности из-за увеличения явления осенесимметричности теплового воздушного потока относительно оси датчика при установке датчика в криволинейный воздушный тракт ДВС автомобиля, так как из описания явствует статическое расположение нити, невозможность варьирования размерами в пространстве, чтобы тем самым уменьшить погрешность.

Усложнение схемы данного устройства вызывает необходимость осреднения результатов измерений скорости воздушного потока по всему проходному сечению датчика.

Наиболее близким является устройство [5], представляющее собой термоанемометрический датчик для измерения массы потока воздуха, в котором сопротивление терморезистора является мерой контролируемого массового расхода. Терморезистор представляет собой горячий элемент, снабженный тремя точками опоры, расположенный в чувствительной середине, две из этих точек опоры расположены на плоскости, перпендикулярной направлению потока. Горячий элемент наклонен по отношению к потоку под углом к вертикали от 45 до 90^o.

Недостатком этого устройства является то, что в процессе регулировки, испытаний датчика весьма трудно уменьшить влияние осенесимметричности теплового воздушного потока между геометрической осью датчика и центром ядра теплового потока, когда датчик при установке на ДВС автомобиля повернут к входящему потоку воздуха под некоторым углом.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения массового расхода воздушного потока, смещенного относительно геометрической оси датчика при его установке в криволинейный воздушный тракт ДВС автомобиля.

Данная цель достигается тем, что в термоанемометрическом датчике массового расхода воздуха, включающем в себя корпус, внутри которого расположено установочное кольцо с нитью нагрева и термокомпенсирующим резистором, основание, сопряженное с корпусом, на котором установлена схема управления, при этом нить нагрева выполнена либо в виде проволочки, либо в виде металлической ленты, представляющей собой ломаную линию, подвешенную на закрепляющих элементах под углом к потоку, при этом по меньшей мере два из мест крепления нити нагрева на закрепляющих элементах расположены в плоскости, перпендикулярной оси датчика, а закрепляющие элементы установлены на внутренней поверхности установочного кольца, нить нагрева наклонена по отношению к потоку под углом к вертикали, составляющим 0^o<α<45^o.

Существенным отличительным признаком является наклон нити нагрева по направлению потока под углом от вертикали, составляющим 0^o<α<45^o, что позволяет уменьшить влияние осенесимметричности ядра теплового потока и геометрической осью датчика, тем самым уменьшая погрешность измерения расхода.

На фиг.1-11 изображены примеры выполнения предлагаемого изобретения. На фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 дан пример выполнения устройства с нитью нагрева, выполненной в виде правильного многоугольника; на фиг.8, 9 дан пример выполнения устройства с наклонной нитью нагрева; на фиг.2, 3, 8 дан пример упругого крепления нити нагрева на закрепляющих элементах. На фиг.3 показано отдельно крепление нити в кольце, на фиг.6 - разрез кольца с нитью по диаметру.

Устройство (фиг.1, 2) состоит из корпуса 1, установочного кольца 2, внутри которого расположена нить нагрева в виде правильного многоугольника 3 с термокомпенсирующим резистором 4, основание 5, сопряженное с корпусом 1, в котором находится схема управления 7, а с внешней стороны расположен электрический разъем 6 (фиг.1). Начало 8 и конец 9 нити нагрева (фиг.2) электрически сопряжены со схемой управления 7 (фиг.2) и установлены друг относительно друга на расстояние Н (фиг.6), необходимом для безопасной работы датчика. В сечении, перпендикулярном продольной оси датчика (фиг.2, 3, 6), правильный многоугольник 3 как бы замкнут, остальные точки излома нити, кроме начала и конца, подвешены на закрепляющих элементах 10, установленных на внутренней поверхности кольца 2. Для уменьшения влияния отвода тепла на закрепляющие элементы 10 нить нагрева 3 на закрепляющие элементы 10 крепится с помощью колец 11, диаметр проволочки которых равен диаметру проволочки нити нагрева 3 (фиг.3, 7).

Другой пример выполнения термоанемометрического датчика измерения массового расхода воздуха дан на фиг.8, 9.

Устройство состоит из корпуса 1, включающего в себя установочное кольцо 2 с нитью нагрева 3, закрепленной в установочном кольце 2, причем верхний конец нити (фиг.8) укреплен на меньшее расстояние Н2 от торца установочного кольца 2, чем ниже конец нити 3 на Н3, при этом Н2<Н3, так что угол наклона нити от вертикали находится в пределах 0^o<α<45^o. В кольце 2 установлен термокомпенсирующий резистор 4. С корпусом 1 сопряжено основание 16, на котором установлена электрическая схема управления 7 с разъемом 6. Начало 8 и конец 9 нити нагрева 3 электрически соединены со схемой управления 7. Нить нагрева 3 пропущена через закрепляющий элемент 10.

Принцип работы термоанемометрических датчиков массового расхода воздуха, представленных конструкцией, основан на поддержании постоянной температуры нити нагрева 3, помещенной в поток воздуха, который поступает в корпус 1 при установке датчиков в воздушный тракт ДВС автомобиля. Количество тепла, уносимого потоком воздуха с нагретой нити, пропорционально массе прошедшего через датчик потока воздуха.

Предполагаемые конструкции нити 3 в виде правильного почти замкнутого многоугольника и нити, имеющей угол наклона от вертикали, способствуют уменьшению погрешности измерения массового расхода воздуха при установке датчиков в кривоколенный воздушный тракт ДВС автомобиля, так как в значительной мере уменьшается влияние осенесимметричности между продольной осью действия теплового воздушного потока и геометрической осью датчика (фиг.10, 11).

Нить нагрева, выполненная в виде правильного почти замкнутого многоугольника, у которой места излома подстрахованы колечками из того же диаметра, полностью охватывает ядро теплового воздушного потока, смещение которого обусловлено конфигурацией воздушного тракта ДВС автомобиля (фиг.10,б). таким образом происходит уменьшение погрешности измерения расхода от влияния осенесимметричности ядра теплового потока относительно геометрического центра датчика.

На фиг.10,a изображен прототип датчика [3] в виде натянутой нити нагрева с двумя точками излома (в сечении, перпендикулярном оси датчика или вектору максимальной скорости набегающего потока воздуха V_mах), при этом распределение векторов теплового потока С_mах воздушного тракта ДВС автомобиля неравномерно и получается угол несовпадения ∠β между векторами V_max и С_maх, что приводит к увеличению погрешности измерения массового расхода воздуха.

Нить нагрева, выполненная в виде переменного угла 0^o<α<45^o, также позволяет достичь такого же эффекта, как и у нити, выполненной в виде правильного почти замкнутого многоугольника (фиг.11). На фиг.11,а изображен один наклон нити датчика относительно вертикали, а по фиг.11,б из-за увеличения высоты крепления нижней части нити на кольце получен другой наклон нити нагрева датчика, при этом ∠α₁≠∠α₂ и ∠β₁<∠β₂.
Таким образом предлагаемые варианты конструкций термоанемометрического датчика массового расхода воздуха позволяют значительно уменьшить погрешность измерения расхода воздуха в воздушном тракте ДВС автомобиля.

ЛИТЕРАТУРА
1. Патент США 4326412 G 01 F 1/68, НКИ 73-204, ИЭР N2, вып.103, стр.64.

2. Заявка ФРГ 2918613, кл. G 01 F 1/56.

3. Заявка Великобритания 2094985, кл. G 01 F 5/12, НКИ G 1 N.

4. Заявка ФРГ 3630427, G 01 F 1/68.

5. Патент США 4370887, G 01 F 1/68, НКИ 73-204.

Изобретения могут быть использованы для измерения расхода воздуха, потребляемого двигателем внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля. 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 0^o<0^°<α<45^° <45^o. Начало и конец нити нагрева соединены со схемой управления. Изобретения обеспечивают снижение погрешности измерения за счет уменьшения влияния несимметричности теплового потока воздуха относительно оси датчика при его установке в воздушный тракт ДВС автомобиля. 2 с.п.ф-лы, 11 ил.

1. Термоанемометрический датчик массового расхода воздуха, включающий в себя корпус, внутри которого расположено установочное кольцо с нитью нагрева и термокомпенсирующим резистором, основание, сопряженное с корпусом, на котором установлена схема управления, при этом нить нагрева выполнена либо в виде проволочки, либо в виде металлической ленты, представляющей собой ломаную линию в сечении кольца, перпендикулярном оси датчика, подвешенную на закрепляющих элементах, выполненных в виде крючков, установленных на внутренней поверхности кольца, причем начало и конец нити нагрева соединены со схемой управления, при этом нить нагрева пропущена через кольца, расположенные каждое на закрепляющих элементах, кроме элементов, поддерживающих начало и конец нити, нить нагрева в сечении кольца, перпендикулярном оси датчика, выполнена в виде правильного многоугольника с 2+n сторонами, где n= 2, 3. . . , с центром многоугольника, лежащим на оси датчика. 2. Термоанемометрический датчик массового расхода воздуха, включающий в себя корпус, внутри которого расположено установочное кольцо с нитью нагрева и термокомпенсирующим резистором, основание, сопряженное с корпусом, на котором установлена схема управления, при этом нить нагрева выполнена либо в виде проволочки, либо в виде металлической ленты, представляющей собой ломаную линию, подвешенную под углом к потоку, при этом по меньшей мере два из мест крепления нити нагрева на закрепляющих элементах расположены в плоскости, перпендикулярной оси датчика, а закрепляющие элементы установлены на внутренней поверхности установочного кольца, отличающийся тем, что нить нагрева наклонена по направлению потока под углом от вертикали, составляющим 0^o<α<45^o.