Устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха

 

Изобретение относится к измерительной и диагностической технике и может быть использовано в автоматизированных системах измерения и контроля массового расхода вещества для измерения массы проходящего через датчик воздуха. Технический результат: обеспечение высокого быстродействия и точности определения массы проходящего через датчик воздуха, более качественное приготовление топливно-воздушной смеси, улучшение экологичности и экономичности двигателя. Сущность: устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха содержит в качестве каждого из двух датчиков температуры терморезистивный измеритель температуры с цифровым отсчетом, содержащий мостовую схему с терморезистором в одном из ее плеч, усилитель разбаланса мостовой схемы, генератор управляемой частоты, формирователь биполярных импульсов, аттенюатор импульсного сигнала, регулируемый источник напряжения постоянного тока, генератор опорной частоты, вычитатель импульсных последовательностей, смеситель, измеритель частоты. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной и диагностической технике и может быть использовано в автоматизированных системах измерения и контроля массового расхода вещества для измерения массы проходящего через датчик вещества.

В качестве аналога изобретения может быть рассмотрено устройство датчика массового расхода воздуха, работающего в составе электронной системы управления двигателем автомобиля ВАЗ-21083, ВАЗ-21093 и ВАЗ-21099 [1]. Датчик расположен между воздушным фильтром и шлангом впускной трубы. Чувствительный элемент датчика представляет собой тонкую мембрану на основе кремния. На этой мембране располагаются нагревательный резистор и различные температурные датчики. В середине мембраны находится область подогрева, которая регулируется с помощью нагревательного резистора и специального температурного датчика. На поверхности мембраны со стороны потока воздуха перед зоной подогрева и за ней симметрично расположены два температурных датчика, которые при отсутствии потока воздуха показывают одинаковую температуру. При наличии потока воздуха часть мембраны, расположенная перед зоной подогрева, охлаждается. Температурный датчик, расположенный за зоной подогрева, благодаря подогреву воздуха сохраняет свою температуру. Дифференциальный сигнал обоих температурных датчиков, усиленный определенным образом, делает возможным получение характеристической кривой, зависящей от величины потока воздуха. Датчик включен в схему преобразования напряжение - частота, поэтому на выходе датчика генерируется прямоугольный импульс, период следования которого зависит от расхода воздуха. Недостатками аналога являются, во-первых, низкая точность измерения массы проходящего через датчик воздуха, во-вторых, низкое быстродействие определения массы проходящего через датчик воздуха.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия измерения массы проходящего через датчик воздуха.

Техническим результатом, который может быть достигнут при использовании изобретения, является обеспечение высокой точности определения массы проходящего через датчик воздуха, более качественное приготовление топливно-воздушной смеси, улучшение экологичности и экономичности двигателя.

На чертеже представлена блок-схема устройства термокомпенсации датчика массового расхода воздуха автомобиля.

Устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха автомобиля содержит мостовую схему 1 с терморезистором R_т в одном из ее плеч, усилитель разбаланса 2 мостовой схемы, генератор 3 управляемой частоты, формирователь 4 биполярных импульсов, аттенюатор 5 импульсного сигнала, регулируемый источник 6 напряжения постоянного тока, генератор 7 опорной частоты, вычитатель 8 импульсных последовательностей, нагревательный элемент 9, смеситель 10, измеритель частоты 11, два терморезистивных измерителя температуры 12 и 13.

Нагревательный элемент 9 расположен между терморезистивным измерителем температуры 12 и терморезистивным измерителем температуры 13. Терморезистивный измеритель температуры 12 содержит мостовую резистивную схему 1 с терморезистором R_т1 в одном из ее плеч, подключенную своим выходом к входу усилителя разбаланса 2 мостовой схемы, выход которого подключен к входу генератора 3 управляемой частоты, выход которого соединен параллельно с первым входом вычитателя 8 импульсных последовательностей и со входом формирователя 4 биполярных импульсов, выход которого соединен со входом аттенюатора 5 импульсного сигнала, выход которого соединен с выходом регулируемого источника 6 напряжения постоянного тока. Выход генератора 7 опорной частоты соединен со вторым входом вычитателя 8 импульсных последовательностей, выход которого соединен с первым входом смесителя 10.

Терморезистивный измеритель температуры 13 содержит мостовую резистивную схему 1 с терморезистором R_т2 в одном из ее плеч, подключенную своим выходом к входу усилителя разбаланса 2 мостовой схемы, выход которого подключен к входу генератора 3 управляемой частоты, выход которого соединен параллельно с первым входом вычитателя 8 импульсных последовательностей и со входом формирователя 4 биполярных импульсов, выход которого соединен со входом аттенюатора 5 импульсного сигнала, выход которого соединен с выходом регулируемого источника 6 напряжения постоянного тока. Выход генератора 7 опорной частоты соединен со вторым входом вычитателя 8 импульсных последовательностей, выход которого соединен со вторым входом смесителя 10. Выход смесителя 10 соединен со входом измерителя частоты 11.

Устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха автомобиля работает следующим образом.

Температура потока проходящего через датчик воздуха измеряется терморезистивными измерителями температуры в областях до и после нагревательного элемента 9. Масса проходящего воздуха определится отношением где Q - количество выделенной нагревательным элементом 9 теплоты; c - удельная теплоемкость воздуха; Θ₁, Θ₂ - температура воздуха до и после нагревателя.

Блоки 1-5 образуют самобалансирующуюся мостовую схему, обеспечивающую изотермический режим работы терморезистора R_т (т.е. постоянство его температуры), при воздействии на него любых внешних возмущающих факторов. Напряжение разбаланса моста после усиления усилителем 2 увеличивает частоту генератора 3 до тех пор, пока под воздействием прямоугольных импульсов, поступающих на мост с формирователя 4, мост не сбалансируется.

При этом при постоянстве амплитуды U_m и длительности τ питающих импульсов выходная частота F_вых генератора 3 связана с мощностью Р₀ разогрева терморезистора R_т линейной зависимостью где R_т - сопротивление терморезисторов в выбранной рабочей точке, определяемое резисторами плеч моста; - чувствительность мостовой схемы по мощности.

При воздействии на терморезистор изменяющейся температуры окружающей среды, адекватной дополнительной мощности его разогрева, равной ΔР, первоначально происходит разбаланс моста. Однако возникающий сигнал разбаланса приводит к изменению частоты генератора 3, а следовательно, и к изменению мощности разогрева терморезистора R_т импульсным сигналом также на величину ΔР, благодаря чему мост возвращается в сбалансированное состояние.

При этом изменение частоты генератора 3 с учетом выражения (2) определяется соотношением ΔF_ВЫХ = S_P•ΔP, (3) Поскольку терморезистор находится в изотермическом режиме, т.е. работает в одной точке своей характеристики, функция преобразования мостовой схемы по мощности теоретически абсолютно линейна при любой нелинейности характеристики терморезистора. Известно, что изменение температуры окружающей среды на ΔТ эквивалентно подаче на терморезистор (или отбора от него) дополнительной мощности его разогрева ΔР, определяемой соотношением
ΔP = H•ΔΘ, (4)
где Н [Вт/^oС] - постоянная рассеяния терморезистора.

Следовательно, изменение температуры окружающей среды вызывает линейное изменение частоты генератора 3, которое с учетом выражений (3 и 4) определяется соотношением
ΔF_ВЫХ = ΔΘ•H•S_P, (5)
Таким образом, текущее значение температуры окружающей среды Θ(t) связано линейной функциональной зависимостью с выходной частотой F_вых генератора 3, т.е. F_ВЫХ(t) = KΘ(t). Однако из соотношения (5) следует, что коэффициент К может принимать различные значения при замене терморезистора R_т одного экземпляра на другой, что обусловлено разбросом значения постоянной рассеяния Н терморезистора в широких пределах даже для терморезистора одного и того же типа.

Чтобы обеспечить постоянное, конкретное значение коэффициента передачи К для всех возможных экземпляров терморезисторов данного типа, между формирователем 4 импульсов и входной диагональю моста 1 установлен аттенюатор 5, который обеспечивает регулировку амплитуды импульсов питания моста и, как следует из соотношения (2), изменение его чувствительности S_p.

Таким образом, меняя с помощью аттенюатора 5 амплитуду импульсов питания моста, можно обеспечить требуемое значение коэффициента преобразования К мостовой схемы, а следовательно, и всего измерительного устройства в целом при любых значениях постоянной рассеяния Н терморезистора, т.е. исключить мультипликативную погрешность измерения.

Регулируемый источник 6 напряжения обеспечивает дополнительную мощность разогрева терморезистора. Это позволяет значительно уменьшить мощность разогрева терморезистора импульсным напряжением и тем самым значительно повысить чувствительность мостовой схемы. Это объясняется тем, что основная тепловая энергия, необходимая для балансировки мостовой схемы, поступает на терморезистор с регулируемого источника напряжения постоянного тока. И только часть энергии ΔP = H•ΔΘ, определяемая диапазоном измеряемых температур ΔΘ и значением постоянной рассеяния Н терморезистора, обеспечивается импульсным сигналом, который несет в себе информацию о текущем значении температуры окружающей среды. А поскольку значение ΔР, как правило, во много раз меньше суммарной энергии Р, необходимой для балансировки мостовой схемы, то чувствительность устройства повышается также во много раз.

Кроме того, регулируемый источник напряжения 6 обеспечивает компенсацию разброса начальной мощности разогрева терморезистора в рабочей точке, т.е. исключает аддитивную погрешность измерения.

Настройка измерителя происходит следующим образом.

С помощью аттенюатора 5 обеспечивается требуемое значение коэффициента преобразования

мостовой схемы, т.е. обеспечивается требуемое значение ΔF изменения выходной частоты F_вых мостовой схемы при вполне конкретном значении изменения температуры окружающей среды ΔΘ.
Затем, меняя дополнительную мощность разогрева терморезистора с помощью регулируемого источника 6 напряжения, добиваются такого значения выходной частоты F_вых мостовой схемы, при котором разностная частота на выходе вычитателя 8 импульсных последовательностей соответствует текущему значению температуры окружающей среды Θ(t).
После данных настроек измерители 12 и 13 готовы к работе и их выходные частоты f₁ и f₂, т.е. выходные сигналы вычитателей 8 импульсных последовательностей, однозначно определяют текущее значение температуры окружающей среды Θ(t) в областях при этих измерителях.

Полученные частоты f₁ и f₂ в смесителе 10 дают разностную частоту f = f₂ - f₁, которая однозначно определяет разницу температур (Θ₂-Θ₁) в выражении (1), а значит, и массу проходящего через датчик воздуха.

Поскольку разогрев терморезистора происходит постоянным и импульсным напряжением, для исключения корреляционной связи между этими напряжениями (т.е. исключения влияния на коэффициент преобразования К мостовой схемы напряжения постоянного тока регулируемого источника 6 напряжения) импульсные сигналы, формируемые формирователем импульсов, должны быть биполярны и не содержат постоянной составляющей.

Поскольку повышение температуры окружающей среды вызывает уменьшение выходной частоты F_вых мостовой схемы (и наоборот), выходная частота генератора 7 опорной частоты должна быть больше максимально возможной частоты F_вых в диапазоне измеряемых температур.

Достоинством предлагаемого устройства является также его высокое быстродействие за счет того, что терморезистор находится в изотермическом режиме, т.е. его температура практически постоянна за счет охвата терморезистора отрицательной обратной связью по мощности. В этом случае эквивалентная постоянная времени мостовой схемы τ_ЭКВ, в К_ОС раз меньше тепловой постоянной времени терморезистора τ (К_ОС - коэффициент отрицательной обратной связи мостовой схемы), т. е. практически τ_ЭКВ в сотни раз меньше значения τ. Это позволяет использовать предлагаемое устройство для контроля быстроизменяющихся потоков вещества.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность определения массы проходящего через датчик воздуха, а значит, более качественно приготовить топливно-воздушную смесь, улучшить экологичность и экономичность двигателя.

Источник информации
1. Автомобили ВАЗ-21083, ВАЗ-21093, ВАЗ-21099, ВАЗ-21102, ВАЗ-2111. Система управления двигателем ВАЗ-2111 (1,5 л) с распределенным впрыском топлива (российские комплектующие и контроллер М 1.5.4). Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. Москва, издательство "Ливр", стр. 76.

Формула изобретения

Устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха автомобиля, содержащее датчик, чувствительный элемент которого представляет собой тонкую мембрану на основе кремния, в середине которой находится область подогрева, регулируемая с помощью нагревательного резистора и специального температурного датчика, на поверхности мембраны со стороны потока воздуха, перед зоной подогрева и за ней, симметрично расположены два температурных датчика, дифференциальный сигнал с которых, преобразованный в последовательность прямоугольных импульсов определенной частоты, зависит от расхода воздуха, отличающееся тем, что в него дополнительно введены, в качестве каждого из двух датчиков температуры, терморезистивный измеритель температуры с цифровым отсчетом, содержащий мостовую схему с терморезистором в одном из ее плеч, усилитель разбаланса мостовой схемы, генератор управляемой частоты, формирователь биполярных импульсов, аттенюатор импульсного сигнала, регулируемый источник напряжения постоянного тока, генератор опорной частоты, вычитатель импульсных последовательностей, смеситель, измеритель частоты, причем первый терморезистивный измеритель температуры содержит первую мостовую резистивную схему с первым терморезистором в одном из ее плеч, подключенную своим выходом к входу первого усилителя разбаланса мостовой схемы, выход которого подключен к входу первого генератора управляемой частоты, выход которого соединен параллельно с первым входом первого вычитателя импульсных последовательностей и со входом первого формирователя биполярных импульсов, выход которого соединен со входом первого аттенюатора импульсного сигнала, выход которого соединен с выходом первого регулируемого источника напряжения постоянного тока, выход первого генератора опорной частоты соединен со вторым входом первого вычитателя импульсных последовательностей, выход которого соединен с первым входом смесителя, второй терморезистивный измеритель температуры содержит вторую мостовую резистивную схему со вторым терморезистором в одном из ее плеч, подключенную своим выходом к входу второго усилителя разбаланса мостовой схемы, выход которого подключен к входу второго генератора управляемой частоты, выход которого соединен параллельно с первым входом второго вычитателя импульсных последовательностей и со входом второго формирователя биполярных импульсов, выход которого соединен со входом второго аттенюатора импульсного сигнала, выход которого соединен с выходом второго регулируемого источника напряжения постоянного тока, выход второго генератора опорной частоты соединен со вторым входом второго вычитателя импульсных последовательностей, выход которого соединен со вторым входом смесителя, выход которого соединен со входом измерителя частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1