устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха
Классы МПК: | G01F15/04 измеряемых газов |
Автор(ы): | Абрамов Г.Н., Горшков Б.М., Северин А.А., Шлегель О.А. |
Патентообладатель(и): | Абрамов Геннадий Николаевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-12-08 публикация патента:
10.12.2002 |
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.
Рисунок 1
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.Описание изобретения к патенту
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 Rт 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 Rт1 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 Rт2 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![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/2194251-2t.gif)
где Q - количество выделенной нагревательным элементом 9 теплоты;
c - удельная теплоемкость воздуха;
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194130/964.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/2194251-3t.gif)
где Rт - сопротивление терморезисторов в выбранной рабочей точке, определяемое резисторами плеч моста;
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/2194251-4t.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
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
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
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
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
Таким образом, текущее значение температуры окружающей среды
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/2194251-5t.gif)
мостовой схемы, т.е. обеспечивается требуемое значение
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194005/916.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
Затем, меняя дополнительную мощность разогрева терморезистора с помощью регулируемого источника 6 напряжения, добиваются такого значения выходной частоты Fвых мостовой схемы, при котором разностная частота на выходе вычитателя 8 импульсных последовательностей соответствует текущему значению температуры окружающей среды
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
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
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194130/964.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194130/964.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194130/964.gif)
![устройство термокомпенсации датчика массового расхода воздуха, патент № 2194251](/images/patents/276/2194130/964.gif)
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.
Класс G01F15/04 измеряемых газов