Электронный блок датчика расхода газа автомобиля

 

     На  практике в большинстве случаев  непосредственное измерение больших и средних величин массового расхода воздуха с относительно невысокой точностью производится механическими способами (расходомеры с крыльчаткой). Им присущи малая долговременная стабильность параметров, невозможность измерять очень малые потоки и относительно большие размеры устройств измерителей. Гораздо лучшие результаты дают методы косвенного измерения расхода, основанные на перерасчете сигналов с прецизионных датчиков температуры или абсолютного (дифференциального) давления, определенным образом включенных в газовую магистраль.

     Мировыми  лидерами в области разработки систем автоматизации, безопасности и сенсорного контроля является компания Honeywell и Motorolla. Результаты разработок выполненных фирмами Honeywell сведены в табл.2, 3. Компания Honeywell выпускает ряд датчиков на диапазон от 30 см³/мин до 200 см³/мин. Расходомеры Honeywell можно разделить на две группы:

• датчики с милливольтовым выходом (без усилителя);
• датчики с нормализованным выходным сигналом (имеют схему управления и усиления сигнала).

     В основу всех датчиков Honeywell заложен  косвенный метод измерения массового  расхода газа. Совершенное владение технологией разработки и производства МЭМС устройств позволило компании создать уникальный микромостовой измерительный элемент, обеспечивающий расходомеры Honeywell быстрым временем отклика, высокой чувствительностью, повторяемостью и очень низким гистерезисом.

     Принцип действия этой системы основан на механизме передачи потоком газа относитель ного количества теплоты над поверхностью измерителя с дальнейшей регистрацией разности температур термодатчиков моста на входе и выходе. Необходимое направление и распределение потока газа над поверхностью измерителя обеспечивает строго определенная внутренняя геометрия измерительной камеры датчика. В процессе работы нагревательный элемент достигает температуры на 160⁰ С выше, чем окружающая температура. При нулевом потоке газа над поверхностью измерителя выходное напряжение моста равно нулю. В момент же действия потока газа термодатчик, расположенный первым по ходу потока, охлаждается, а термодатчик, что находится на противоположенной стороне, нагревается. В результате происходит разбалансировка и на выходе появляется напряжение, величина и знак которого пропорциональны объему и направлению газа, проходящего в единицу времени через измерительную камеру датчика. Типовая характеристика преобразования датчика с милливольтовым выходом и диапазоном измерения 1 л/мин приведена на рис. 1. 

     

 

     Рис.1. Типовая характеристика преобразования датчика с диапазоном 1 л/мин. 

     Благодаря малым размерам чувствительного  элемента, экстремально низкой термической массе и высоким температурным градиентам расходомерам Honeywell свойственны очень малое время отклика (около 1 мс), высокая повторяемость и низкий гистерезис. Поскольку датчики являются соразмерными с пропорциональной методикой измерения, максимальная точность достигается вблизи нулевых потоков. Ввиду очень низкой энергии потребления датчики Honeywell совершенно безопасные устройства. Все эти преимущества плюс компактный дизайн сделали эти приборы пригодными для множества различных применений. В настоящее время расходомеры Honeywell успешно используются как в бытовой, так и медицинской и промышленной аппаратуре. Основные области их применения это: 

• системы вентиляции и кондиционирования;
• системы климат-контроля;
• системы распределения кислорода в больницах;
• аппараты искусственной вентиляции легких;
• газовые хроматографы;
• системы контроля утечки газов.

 

     Типы  датчиков, их характеристики и особенности

     По  степени интеграции все датчики  расхода газа Honeywell можно условно  разбить на 2 группы. Это датчики с милливольтовым выходом и датчики с нормализованным выходным сигналом. Первая группа характеризуется, с одной стороны, невысокой стоимостью, а с другой -  требует внешние схемы управления нагревателем, питания микромоста и инструментальным усилителя сигнала. В таблице 2 приведены основные технические характеристики датчиков требующих внешнюю обвязку. Ко второй группе следует отнести полностью интегрированные приборы с нормализованным выходным сигналом. Эти датчики имеют все необходимые встроенные схемы управления и обработки сигнала. Их основные характеристики приведены в таблице 3.

     Как видно из таблиц, верхний предел измерения датчиков Honeywell составляет 200 л/мин. Однако множество приложений требуют измерения значительно больших объемов расхода газа. Для этого можно воспользоваться самым распространенным на практике методом расширения диапазона измерения - это включение датчика в так называемый байпас, то есть обвод канал. В этом случае только часть от общего потока газа проходит через датчик. Beличина этого потока определяется байпас- коэффициентом. Однако нужно отметить, что чем меньше этот коэффициент, тем более стабильный и предсказуемый будет выходной сигнал датчика. На сайге компании Honeywell имеется подробная методика проектирования и расчета подобных систем.

     При эксплуатации датчиков очень важно  учитывать химическую совместимость  материалов, из которых изготовлены  датчики, с газами, расход которых измеряется. Датчики расхода газа фирмы Honeywell изготавливаются из сплавов

 

4. Расчет и обоснование основных параметров элементов разрабатываемого электронного устройства

 

      В структуре электроизмерительной схемы  можно выделить измерительный мост (ИМ), в который включён анемочувствительный элемент (АЧЭ) (полупроводниковый терморезистор типа СТ1-19МА), который составлен из трёх постоянных резисторов R₁, R₂, R₃. Измерительная диагональ моста подключена на вход усилителя обратной связи (УОС), выполненного на операционном усилителе (ОУ), который управляет работой регулирующего элемента (РЭ). РЭ реализован на транзисторе VT1, в эмиттерную цепь которого включена генераторная диагональ ИМ. Проведём расчёт последовательно для каждого из перечисленных элементов. 

Расчёт  измерительного моста

 

      Расчёт  будет произведён согласно схеме  измерительного моста, которая приведена  на рис.5:

      

Рис.5. Схема  измерительного моста 

Определим параметры (сопротивления) терморезисторов  – плеч моста из зависимости:

,                                                                  (1) 

      Для выбранного типа анемочувствительного элемента (терморезистор типа СТ1-19МА) имеются следующие расчётные значения параметров режима работы:

• рабочий диапазон температур – 213-573⁰К;
• тепловая постоянная времени – t_ост=1,5с;

                                                            t_нагр=0,8с;

• теплоёмкость – С=0,4мДж/⁰С;
• коэффициент рассеяния в спокойном воздухе – Н=0,35мВт/⁰С;
• сопротивление – r=15…18кОм при t=20⁰С;
• постоянная – В=3500-6000⁰К;
• допустимая мощность рассеивания: при Т_ном Р = 200 мВт;

                                                                   при Т_макс Р = 0,3 мВт;

• коэффициент энергетической чувствительности – 0,09мВт.

      Выбираем  В=4000⁰К, Т₀=20⁰С=293⁰К;

                        ;

      

,                              (2) 

      С помощью полученной зависимости  в диапазоне Т от 273⁰К до 523⁰К построим график (рис.6.) и выберем сопротивление R_T=210(220) Ом±0,05%.

      

      Рис.6. Зависимость R=f(T⁰) 

      Тогда сопротивление последовательно  включённого резистора R₁ должно быть равным R=R_Т, что обусловлено заданным режимом работы АЧЭ и условиями обеспечения баланса моста. Параметры резисторов R₄ и R₈, входящих в измерительный мост определяются в общем случае с учётом обеспечения максимальной чувствительности измерительного моста по напряжению. Однако, дополнительно необходимо ограничить энергопотребление этой цепочки и обеспечить согласование выходного сопротивления измерительного моста входным сопротивлением УОС. Т.о., выбираем в качестве постоянных резисторов пассивной ветви резисторы типа С2-29В, допустимой мощностью рассеяния 0,125Вт и номиналом R₄=R₈=4,7кОм±0,05% (R выбираем из ряда Е192). Проверка согласования измерительного моста и УОС по сопротивлению осуществляется на основе расчёта выходного сопротивления измерительного моста и его сопоставления с входным сопротивлением УОС:

      R_Т=210Ом±0,05% 

      

 

      Выбираем  ОУ К140УД14 с R_{вх ОУ}³20МОм.

      Условие R_вых.м<< R_{вх ОУ} выполняется.

      Проверим соответствие выбранных резисторов моста на допустимую рассеиваемую мощность.

U_пит=15В;

                                            

       ,                           (4) 

       Вт,  (5) 

      Р_д=0,25Вт,

      Р_д> ,

      Резисторы R₄ и R₈ удовлетворяют по мощности.

      R₄=R₈=4,7кОм±0,05%, выбираем из ряда Е192: R₄, R₈– С2-29В.

      Из  вольт-амперной характеристики для  терморезистора типа СТ1-19МА – I_max=30мА.

       Вт,

      Р_д=200мВт=0,2Вт при Т_ном=20⁰С,

      Р_д> ,

      Условие выполняется, следовательно, терморезисторы удовлетворяют по мощности.

      R₅=100Ом, выбираем из ряда Е192 С2-13-0,125Вт. 

      Расчёт  усилителя обратной связи 

В качестве УОС выбираем операционный усилитель  серии К140 [2.20]. Одним из основных условий работы ЭИС является обеспечение заданного режима работы АЧЭ и точность поддержания коэффициента усиления УОС, который определяется следующей зависимостью: 

       ,                           (6) 

где Н₀ – коэффициент рассеяния терморезистора при отсутствии перетекания воздуха по каналу с АЧЭ.

      Для выбранного типа терморезистора типа СТ1-19МА имеем:

                    

                Н₀=0,3×10^-3Вт/⁰С;

                     Т₀=20⁰С.

      При заданной статической точности поддержания  режима T=const, DТ=2⁰С.

      Определим потребный коэффициент УОС: 

 

      Зная  коэффициент передачи измерительного моста К_М=2, определим потребный коэффициент передачи ОУ.