ИЗМЕРИТЕЛЬ РАСХОДА ВОЗДУХА Российский патент 2003 года по МПК G01F1/28 G01F1/696 G01F15/06 

Изобретение относится к средствам транспортной электроники, предназначено для преобразования расхода воздуха в электрический сигнал и может быть использовано на всех видах автомобильного транспорта, тракторах, танках и т. д.

Известны измерители расхода воздуха на основе потенциометрических датчиков. Также существуют другие принципы работы расходомеров, например принцип перепада давления во впускном трубопроводе, термоанемометр завихрений Кармана и др.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является измеритель расхода воздуха, описанный в книге [1]. В нем поток воздуха 4 (см фиг.1), проходящий через воздушный фильтр, изменяет угол поворота подвижной заслонки 8, на которую кроме скоростного напора воздуха действует возвратная тарированная пружина 1. При этом значение расхода воздуха преобразуется в напряжение, пропорциональное отношению сопротивлений плеч потенциометра 5, подвижный вывод которого механически соединен с осью заслонки, и его пространственное положение определяется углом поворота последней. На фиг.1 также показаны контакты выключателя топливного насоса 2, датчик температуры поступающего в двигатель воздуха 3, впускной трубопровод 6, регулировочный винт 7.

Основными недостатками известного устройства с потенциометрическим датчиком являются его малый рабочий ресурс, обусловленный наличием механического контакта токосъемника и резистивного элемента потенциометра, и повышенная погрешность преобразования из-за влияния достаточно большого усилия прижатия токосъемника к резистивному элементу.

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются повышение надежности, увеличение срока службы, уменьшение влияния подвижной части датчика на результат преобразования и передача информации о температуре поступающего в двигатель воздуха совместно с информацией о расходе воздуха по одному проводному каналу.

Это достигается тем, что в измерителе расхода воздуха, содержащем корпус, подвижную заслонку, тарированную возвратную пружину, датчик температуры поступающего в двигатель воздуха, контакты выключателя топливного насоса, потенциометр и регулировочный винт, согласно предлагаемому изобретению потенциометр выполнен с емкостным съемом информации, кроме того, в измеритель расхода воздуха введены опорный резистор, переключатель и измерительный преобразователь отношения сопротивлений в частотно-временные сигналы, содержащий компаратор и неинвертирующий интегратор, причем опорный резистор включен последовательно с резистивным датчиком температуры поступающего в двигатель воздуха, а точка их соединения и токосъемник потенциометра через переключатель соединены с первым входом компаратора, выход которого соединен одновременно через неинвертирующий интегратор со вторым своим входом и с клеммой соединенных параллельно выводов потенциометра и делителя напряжений, состоящего из резистивного датчика температуры поступающего в двигатель воздуха и опорного резистора, при этом вторые выводы потенциометра и делителя напряжений соединены с земляной шиной.

На фиг.2 изображен общий вид измерителя расхода воздуха, где 1 - тарированная возвратная пружина, 2 - контакты выключателя топливного насоса, 3 - резистивный датчик температуры поступающего в двигатель воздуха, 4 - поток воздуха, 5 - резистивный слой потенциометра, 6 - впускной трубопровод, 7 - регулировочный винт, 8 - подвижная заслонка, 9 - токосъемник, 10 - измерительный преобразователь (с переключателем и опорным резистором).

На фиг.3 изображена структурная электрическая схема измерителя: 11 - потенциометр, представленный трехэлементной схемой замещения в виде R_Х - сопротивления, пропорционального углу поворота токосъемника, R - сопротивления, равного R₀ - R_Х (R₀ - сопротивление резистивного слоя бесконтактного потенциометра) и С - емкостью связи, образованной токосъемником и резистивным слоем бесконтактного потенциометра; R_t - резистивный датчик температуры поступающего в двигатель воздуха; R_ОП - опорный резистор; 12 - переключатель; 13 - измерительный преобразователь, состоящий из компаратора 14 и неинвертирующего интегратора 15.

Измеритель расхода воздуха состоит из подвижной заслонки 8 (фиг.2), к оси которой жестко прикреплены токосъемник 9 и тарированная возвратная пружина 1; контактов выключателя топливного насоса 2; впускного трубопровода 6; регулировочного винта 7; резистивного датчика температуры поступающего в двигатель воздуха 3, образующего с опорным резистором R_ОП (фиг.3) делитель напряжений, который средней точкой подключен ко второму входу переключателя 12; потенциометра 11, представленного сопротивлениями R, R_X и емкостью С (образована резистивным слоем потенциометра 5 (фиг.2) и токосъемником 9), подключенного к первому входу переключателя 12 (через емкость С); измерительного преобразователя 13 (фиг.3), состоящего из компаратора 14 и неинвертирующего интегратора 15, причем 1 вход компаратора 14 соединен с выходом переключателя 12, а 2 вход компаратора соединен с выходом неинвертирующего интегратора 15, выход компаратора 14 соединен одновременно со входом неинвертирующего интегратора 15 и с клеммой соединенных параллельно выводов потенциометра 11 и делителя напряжений R_t - R_ОП (фиг.3).

Измеритель работает следующим образом.

Поток воздуха 4 (фиг.2) изменяет угол поворота подвижной заслонки 8, на которую также действует тарированная возвратная пружина 1. Измерительным преобразователем расход воздуха и его температура поочередно преобразуются в частотно-временные сигналы, поскольку ось заслонки 8 жестко соединена с токосъемником 9 потенциометра 11 (фиг.3), а резистивный датчик температуры поступающего в двигатель воздуха 3 соединен последовательно с опорным резистором и образует делитель напряжений.

В первом положении переключателя 12 (фиг.3) сигнал с токосъемника потенциометра 11 (с емкости С) поступает на первый вход переключателя 12, во втором положении переключателя 12 сигнал со средней точки делителя напряжений, составленного из резистивного датчика температуры поступающего в двигатель воздуха R_t и опорного резистора R_ОП, поступает на второй вход переключателя 12. Переключатель поочередно подключает свои входы к первому (неинвертирующему) входу компаратора 14. Выход компаратора 14 соединен одновременно через неинвертирующий интегратор 15 со вторым (инвертирующим) своим входом и с соединенными параллельно потенциометром 11 и делителем напряжений R_t - R_ОП. На выходе компаратора 14 получаем последовательность прямоугольных импульсов, период следования которых прямо пропорционален углу поворота токосъемника потенциометра 11 или температуре поступающего в двигатель воздуха. Функции преобразования имеют вид


где T_Q - период следования прямоугольных импульсов, определяющийся расходом воздуха, T_t - период следования прямоугольных импульсов, определяющийся температурой поступающего в двигатель воздуха, τ - постоянная времени неинвертирующего интегратора 15.

Таким образом, расход воздуха и температура поступающего в двигатель воздуха будут определяться следующими выражениями:
Q=k₁•T_Q; t=k₂•T_t,
где Q - расход воздуха, t - температура поступающего в двигатель воздуха, k₁, k₂ - коэффициенты.

Так как информация о расходе воздуха требуется постоянно, а температура поступающего в двигатель воздуха изменяется медленно, то переключатель 12 сигнал с токосъемника потенциометра 11 подключает к первому входу компаратора 14 в течение девяти тактов измерения, и лишь на один такт подключает сигнал со средней точки делителя напряжений, составленного из резисторов R_t и R_ОП (возможны и другие соотношения по времени).

Преимуществами данного изобретения являются высокая надежность, длительный срок службы, значительное уменьшение влияния подвижной части датчика на результат преобразования и передача информации о температуре поступающего в двигатель воздуха совместно с информацией о расходе воздуха по одному проводному каналу.

Источник информации
1. Сига X. , Мидзутани С. Введение в автомобильную электронику. Пер. с японского - М.: Мир. 1989.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на всех видах автомобильного транспорта. 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. Изобретение имеет высокую надежность, длительный срок службы, обеспечивает передачу информации о температуре совместно с информацией о расходе воздуха по одному проводному каналу. 3 ил.

Измеритель расхода воздуха, содержащий корпус, подвижную заслонку, тарированную возвратную пружину, резистивный датчик температуры поступающего в двигатель воздуха, контакты выключателя топливного насоса, потенциометр и регулировочный винт, отличающийся тем, что потенциометр выполнен с емкостным съемом информации, кроме того, в измеритель расхода воздуха введены опорный резистор, переключатель и измерительный преобразователь отношения сопротивлений в частотно-временные сигналы, содержащий компаратор и неинвертирующий интегратор, причем опорный резистор включен последовательно с резистивным датчиком температуры поступающего в двигатель воздуха, а точка их соединения и токосъемник потенциометра через переключатель соединены с первым входом компаратора, выход которого соединен одновременно через неинвертирующий интегратор со вторым своим входом и с клеммой соединенных параллельно выводов потенциометра и делителя напряжений, состоящего из резистивного датчика температуры поступающего в двигатель воздуха и опорного резистора, при этом вторые выводы потенциометра и делителя напряжений соединены с земляной шиной.