Термоанемометрический датчик: Яковлев В.Ф., Буцко А.С. Датчики для измерения массового расхода воздуха для автомобильных двигателей

Содержание

Яковлев В.Ф., Буцко А.С. Датчики для измерения массового расхода воздуха для автомобильных двигателей

Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 8 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2012/08/1275 (дата обращения: 04.10.2021).

УДК 681.3.06

Вадим Фридрихович Яковлев, доцент

Антон Сергеевич Буцко, студент 3-ЭТ-5

Самарский государственный технический университет

Термоанемометрические датчики

Наиболее распространены так называемые термоанемометрические датчики. Они представляют собой помещенный во впускной трубопровод нагреваемый электрическим током проводник, сопротивление которого сильно зависит от температуры. Чем выше скорость движения окружающей проводник среды, тем больше теплоотдача и ниже температура, а, следовательно, и сопротивление проводника. Таким образом, изменяется сила тока, проходящего в цепи проводника.

Для работы датчика необходима температурная компенсация, которая достигается путем помещения аналогичного проводника в неподвижную среду. Измерение расхода осуществляется путем сравнения сопротивлений этих двух проводников. Датчик, состоящий из одного такого проводника, может служить для измерения температуры.

На рисунке 1 показана типичная электрическая схема термоанемометрического датчика расхода воздуха. Два термочувствительных резистора (проволочки) помещены в поток воздуха, поступающего во впускной коллектор. RH нагревается током  I2  до температуры, превышающей температуру забортного воздуха на 100…200 градусов. RК не нагрет и служит для определения температуры поступающего воздуха. Эти два резистора вместе с R1, R2 и R3  образуют измерительный мост. Сопротивление RК + R1+

R2 гораздо больше, чем RH + R3  и I3 гораздо меньше I2.

Рис.1.Электрическая схема термоанемометрического датчика

 

При постоянном расходе воздуха мост уравновешен и входные напряжения операционного усилителя  V1 и V2 равны. Если приоткрыть дроссельную заслонку, поток воздуха возрастет, резистор RH будет сильнее охлаждаться, его электрическое сопротивление уменьшится, V1 увеличится, мост утратит состояние равновесия, выходной ток операционного усилителя I1 увеличится. Рост тока I2 увеличит нагрев, мост вернется в состояние равновесия, но уже при других значениях I1. Таким образом изменение расхода воздуха оказывается связанным с значением напряжения.

Масса воздуха, прошедшего в единицу времени через датчик определяется формулой

Q = k(I2)n,

Где n принимает значения 5…8, k – константа, определяемая конструкцией датчика, ток I2 находится в диапазоне 0. 5…1.5 А в зависимости от положения дроссельной заслонки.

Выходное напряжение датчика V1 не линейно связано с массой воздуха Q, что учитывается программным обеспечением ЭБУ двигателя. Обычно V1 имеет значение 2 В на холостом ходе, увеличиваясь до 7 В при полном открытии дроссельной заслонки.

Рис.2.Термоанемометрический датчик в сечении и внешний вид.

1 – основной проход для воздуха, 2 – байпасс, 3 – нагретый резистор, 4 – холодный резистор, 5 – диффузор, 6 – микромодуль

 

Термоанемометрические датчики воздуха имеют преимущества по сравнению с датчиками с измерительной заслонкой:

  • Выходной сигнал датчика пропорционален массе воздуха, нет необходимости вводить коррекцию по температуре забортного воздуха и по высоте местности
  • В поток воздуха почти не вносятся возмущения
  • Нет подвижных частей
  • Высокое быстродействие на уровне миллисекунд

Термоанемометрические датчики могут оказываться излишне чувствительными, тогда применяется то или иное электронное сглаживание сигнала.

На рисунке 2 показана конструкция типичного термоанемометрического датчика. Он состоит из литого алюминиевого корпуса и гибридного интегрального модуля. Воздух проходит через основной канал 1 и через байпасс 2, в котором размещены нагреваемый 3 и холодный 4 резисторы. Основной канал имеет диффузор 5, сбоку закреплен микромодуль 6. Такая конструкция минимизирует смещение выходного сигнала за счет налипания пыли на проволочки и уменьшает риск повреждения датчика обратным выбросом раскаленных газов из цилиндра.

Проволочки имеют диаметр около 70 микрон и выполняются из платины. Для механической прочности их наматывают на стеклянные изоляторы.

В некоторых моделях термоанемометрических датчиков при выключении ключа зажигания предусмотрен кратковременный нагрев проволочек до температуры 1000 градусов. Это делается для сжигания частиц пыли и грязи, которые прилипают к резисторам и могут привести к погрешностям.

В современных моделях автомобилей вместо проволочных резисторов используются металлокерамические на основе кремния. Это более надежная и простая конструкция.

Интегральная схема 6 содержит компоненты, показанные на рисунке 2, фильтр и стабилизатор напряжения.

 

Датчик Кармана

Если узкий стержень разместить поперек воздушного потока, за ним начнут образовываться завихрения (вихри). Принцип работы датчика Кармана основан на измерении частоты появления вихрей, которые образуются за поперечным стержнем в потоке воздуха. Скорость потока воздуха V определяется уравнением:

V = f·(d/St)

Где d – константа, зависящая от геометрии стержня, St – число Струхаля, критерий подобия неустановившихся движений текучих сред (для конструкций автомобильных датчиков расхода воздуха St ≈ 0.23), f – частота генерации вихрей. По частоте из этого уравнения определяют V, затем по известному поперечному сечению входного канала датчика объем воздуха.

Частоту образования вихрей определяют ультразвуковым методом или по вариациям давления.

В ультразвуковых датчиках (Рис.3) используется измерение доплеровского сдвига частоты ультразвуковой волны (обычно 50 кГц) при ее рассеянии движущейся средой (потоком воздуха). Частоту генерации вихрей определяют по этому сдвигу.

Датчики, аналогичные представленному на рисунке 4, использовались на двигателях с центральным впрыском автомобилей Chrysler.

Рис.3. Датчик Кармана автомобилей Chrysler

 

Датчики на основе подсчета числа вихрей по вариациям давления гораздо дешевле, в них полупроводниковый, чувствительный к изменениям давления элемент, расположен непосредственно за вихреобразующим стержнем. Вихрь, появляющийся за стержнем, вызывает изменение давления, которое преобразуется в электрический импульс, поступающий в ЭБУ двигателя. Конструкция датчика Кармана показана на рисунке 4. Он состоит из формирователя ламинарного потока на входе, треугольного поперечного стержня – генератора вихрей и датчика давления. В корпусе также размещены датчики температуры и барометрического давления для определения массы поступающего воздуха по его объему.

На холостом ходу датчик выдает сигнал с частотой около 100 Гц, при полной загрузке двигателя – около 2000 Гц.

Рис.4.Датчик Кармана c измерением вариаций давления

 

Литература

1. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф.Новейшие автомобильные электронные системы.  М.: Солон-Пресс, 2005. 256 с.

2. Ютт В.Е., Электрооборудование автомобилей, 2-е издание. М.: Транспорт, 2003. 365 с.

3. Ribbens W. B. Understanding automotive electronics.Burlington,USA: Newnes publications, 2009. 481 с.



Все статьи автора «Яковлев Вадим Фридрихович»

Датчики скорости потока сплошных сред от компании IST

Датчики скорости потока сплошных сред компании IST

Для измерения скорости потока жидкостей или газов используются различные физические эффекты. В датчиках скорости потока используются механические, оптические, электромагнитные, ультразвуковые и другие чувствительные элементы, все они позволяют по косвенным характеристикам определить расход жидкости или газа, проходящего по трубе.

Под расходом может подразумеваться как объем потока (литры в минуту или кубические метры в минуту), так и масса потока (килограммы в минуту), так и его скорость (метры в секунду). Допуская, что в большинстве приложений известны характеристики среды и характеристики трубы, мы будем считать перечисленные понятия тождественными.

 

Швейцарская компания IST специализируется на производстве тонкопленочных термосопротивлений, поэтому и для измерения скорости потока IST выпускает теплорезистивные чувствительные элементы. В

тепловых датчиках потока измерения производятся либо по охлаждению нагретого тела, помещенного в поток (термоанемометрические датчики скорости потока), либо по переносу тепловой энергии между двумя точками, расположенными вдоль потока (калориметрические датчики скорости потока).

В портфолио компании IST есть датчики, использующие оба принципа измерения.

Термоанемометрические чувствительные элементы

Датчики FS5, FS7, модуль Out Of Liquid

В простейшем случае чувствительный элемент состоит из нагревательного элемента и датчика температуры, которые по сути являются термосопротивлениями.  При отсутствии потока температура микронагревателя остается неизменной, а при наличии потока нагреватель начинает отдавать тепло среде.

Количество тепла, которое отдается потоку, зависит от разности температур нагревателя и теплофизических характеристик среды, а также от параметров трубы и от скорости потока. Поскольку начальная разность температур определяется схемой включения датчика расхода, а параметры трубы известны, теплоотдача нагревательного элемента может использоваться для измерения скорости потока. Таким образом, скорость потока рассчитывается как функция от разности температур нагревателя и датчика температуры.

 

Калориметрические чувствительные элементы

Датчики FS2, MFS 02 

Калориметрические тепловые датчики потока предназначены для относительно медленных потоков с переменным направлением. Элемент состоит из трех элементов — микронагревателя и двух датчиков, измеряющих температуру до и после него.

В отсутствии потока тепловое пятно неподвижно, поэтому справа и слева от нагревателя сплошная среда имеет одну и ту же температуру. При возникновении потока тепловое пятно «сдвигается» согласно направлению и скорости потока. Таким образом, при известных параметрах трубы и характеристиках среды скорость потока может быть измерена как функция от разности показаний датчиков температуры.

 

Комбинация двух принципов измерений

Датчики FS2, MFS 02 

Диапазон измерений калориметрических датчиков ограничивается самим принципом их работы — при определенной скорости потока тепловое пятно «сдвигается» слишком далеко и разность показателей правого и левого датчиков уже не позволяет судить о скорости потока. Обеспечить чувствительность датчика в более широком диапазоне скоростей можно, используя комбинацию калориметрического и термоанемометрического принципов измерения, то есть на относительно малых скоростях используется калориметрический принцип, а на б ́ольших скоростях, когда направление потока уже известно, используется термоанемометрический (тот же микронагреватель и дополнительный датчик температуры).

 

 

 

 

ТЕПЛОВЫЕ ДАТЧИКИ ПОТОКА СЕРИИ FS7 (ГАЗ, НЕКОТОРЫЕ ЖИДКОСТИ)

Датчики серии FS7 представляют собой термоанемометрический чувствительный элемент и являются более современной заменой аналогичным датчикам серии FS5. Датчики применяются для газов и некоторых жидкостей.

Датчики FS7 представляют собой керамическую подложку, на которую нанесены два платиновых термосопротивления, одно из них выполняет роль микронагревателя, другое — роль датчика температуры. Конструкция покрыта изолирующим слоем из стекла, а сам элемент имеет три вывода: контакт нагревателя, контакт датчика температуры и земля.

 

 

 

Датчики серии FS7 имеют три стандартных исполнения:

  • бескорпусной датчик с изолированными выводами длиной 195 мм,
  • аналогичный датчик в круглом пластмассовом корпусе,
  • датчик для температур до +400°C (без корпуса, неизолированные выводы 15 мм).

 

  

 

Другие характеристики стандартных датчиков серии FS7 представлены в таблице. По запросу изготавливаются нестандартные исполнения элемента FS7.

  FS7.0.1L.195 FS7.0.4W.015 FS7.A.1L.195
Диапазон измерений 0…100 м/c
Разрешение 0,01 м/c
Индикация направления потока нет
Время отклика ~200 мс
Диапазон рабочих температур −20 .. +150 °C −20 .. +400 °C −20 .. +150 °C
Размеры элемента 6. 9 x 2.4 мм
Размеры корпуса без дополнительного корпуса дополнительный пластмассовый корпус
Ø 6 мм, длина 14 мм
  Наличие на складе Наличие на складе Наличие на складе

 

Стоимость

В таблице указаны цены для заказа датчиков в количестве до 50 штук. Вы можете рассчитывать на существенное снижение цены при заказе оптовых количеств, например при заказе от 100 шт. цена датчиков потока снизится на 30%, а при заказе партии от 1000 шт. — почти на 50%.

 

Документация

На сайте производителя доступно подробное руководство по применению датчиков секрии FS5 / FS7, а также краткие описания конкретных моделей датчиков серии FS7 и платы FS-flowmodul.

Информацию о применении датчика FS7 также можно почерпнуть из статьи «Запускаем датчик потока газа».

 

 

ТЕПЛОВЫЕ ДАТЧИКИ ПОТОКА СЕРИИ FS2 (ГАЗ, НЕКОТОРЫЕ ЖИДКОСТИ)

Датчики серии FS2 — это калориметрические чувствительные элементы, предназначенные для определения не только скорости, но и направления потока. Элемент состоит из нагревателя, двух датчиков температуры слева и справа от него, и дополнительного компенсирующего датчика температуры. Все четыре элемента представляют собой термосопротивления разного номинала, которые включаются в мостовую схему.

 

Наличие на складе

 

В качестве калориметрического элемента, датчик позволяет определять скорость и направление потока, однако когда скорость превышает 1 м/c, датчик может быть переключен в режим термоанемометра. Датчики FS2 применяются для газов и некоторых жидкостей.

Диапазон измерений 0…100 м/c (анемометрический режим)
0…1 м/c (калориметрический режим)
Разрешение 0,001 м/c
Индикация направления потока да
Время отклика < 0. 5 сек
Диапазон рабочих температур −20 .. +150 °C *
Размеры элемента 5 x 5.3 мм

* датчики FS2 для температур до +450°C доступны по запросу.

 

Документация

Датчики данной серии обозначаются как FS2T.0.1E.***, где посдедние три символа кодируют длину выводов в миллиметрах. Более подробная информация доступна в документации от производителя.

 
Стоимость

Выше указана цена для заказа датчиков в количестве до 50 штук. Вы можете рассчитывать на существенное снижение цены при заказе оптовых количеств, например при заказе от 100 шт. цена датчика потока снизится на 30%, а при заказе партии от 1000 шт. — почти на 50%.

 

 

ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ДАТЧИКИ ПОТОКА MFS02 (ГАЗ)

Для задач, где требуется повышенная чувствительность датчика потока газа, предлагаются миниатюрные чувствительные элементы MFS02. По своей структуре они похожи на датчики FS2 и состоят из нагревателя (два термосопротивления), датчиков температуры справа и слева от нагревателя (два термосопротивления) и дополнительного датчика температуры для работы в анемометрическом режиме (одно термосопротивление). 

Наличие на складе

 

Основные характеристики датчика MFS 02 приведены в таблице. Более подробная информация доступна в документации от производителя.

Диапазон измерений 0…150 м/c (анемометрический режим)
0…1.5 м/c (калориметрический режим)
Разрешение 0,0003 м/c
Индикация направления потока да
Время отклика < 10 мсек
Диапазон рабочих температур −40 . . +80 °C
Размеры элемента 3.5 x 5.1 мм

 

Модули для включения датчика MFS02

Датчики MFS 02 имеют контактные площадки небольшого размера, которые не пригодны для пайки — монтаж датчика должен осуществляться по технологии wire-bounding. На этапе знакомства с датчиком MFS 02 удобно использовать платы-расширения MFS02.PEXP.0 и MFS02.PSTD.0, на которых размещен датчик MFS 02 и обеспечен доступ ко всем конактам датчика. Более подробная информация доступна в документации от производителя.

Наличие на складе

 

Для датчика MFS02 также предлагается отладочная плата Microflow Amplifier Module. На плате датчик MFS 02 установлен в канал, через который проходит поток газа. Помимо канала на плате реалиована схема включения датчика и несколько потенциометров для подстройки этой схемы в зависимости от состава газа, его температуры, скорости и других параметров. На отладочной плате обеспечивается доступ ко всем аналоговым сигналам,  

Наличие на складе

 
Стоимость

Выше указаны цены для заказа датчиков в количестве до 50 штук. Вы можете рассчитывать на существенное снижение цены при заказе оптовых количеств, например при заказе от 100 шт. цена датчиков потока снизится на 30%, а при заказе партии от 1000 шт. — почти на 50%.

 

 

OUT OF LIQUID — ДАТЧИК ДЛЯ РАБОТЫ С ВОДОЙ И АГРЕССИВНЫМИ ЖИДКОСТЯМИ И ГАЗАМИ

Для агрессивных сред и содержащих воду жидкостей рекомендуется термоанемометрический датчик Out Of Liquid. Данный элемент выполнен как небольшая трубка из нержавеющей стали, на внешней стенке которой размещены нагреватель (термосопротивление Pt50) и датчик температуры (термосопротивление Pt1000), таким образом термосопротивления изолированы от измеряемой среды.

Диапазон измерений для данного случая составляет 0..3000 мл/мин (≈ 4 м/c), время прогрева <20 сек, время отклика <300 мс. Длина трубки составляет 40 мм, её наружный диаметр 4 мм. Рабочий температурный диапазон Out Of Liquid — от -50 °C до +180 °C. 

Код для заказа: P1K0/050.232.2K.C.050.M.U.S

Наличие на складе

 

Больше информации о датчике Out Of Liquid — в статье «Запускаем датчик потока жидкости». Работа датчика Out Of Liquid также демонстрируется на видео.

 
Стоимость

Вы можете рассчитывать на существенное снижение цены при заказе оптовых количеств, стоимость датчика снижается уже при заказе 10 штук. При заказе от 100 шт. цена датчиков потока Out Of Liquid снизится на 30%, а при заказе партии от 1000 шт. — почти на 50%.

 

Электронный модуль для включения датчиков FS7 и Out Of Liquid

Чувствительный элемент FS7 предназначен для включения в мостовую схему, которая уравновешена в отсутствии потока и разбалансирована при изменении сопротивления нагревателя. При увеличении скорости потока нагреватель охлаждается, мост разбалансируется и сигнал разбаланса поступает на усилитель. Выходной сигнал усилителя сообщает нагревателю более высокую температуру и приводит мост обратно в равновесное состояние. Этот же сигнал используется как выходной, т.е. как функция скорости потока.

Для каждой задачи схема включения и процедура калибровки будут отличаться, однако на этапе знакомства с датчиками серии FS7 используют готовый электронный модуль, на котором реализован пример схемы включения.

Плата  Flow Demo Board имеет четыре контакта для подключения датчика FS7 и Out Of Liquid с одной стороны и контакты Питание, Земля и Выходной сигнал с другой стороны. Также предусмотрен выходной контакт для вычета нулевого смещения (при нулевом потоке). Плата также оснащена потенциометром для подстройки параметров электрической схемы и регулятором для установки разности температур между датчиком температуры и нагревателем.

Наличие на складе

 

Дискретные термосопротивления Pt50 + Pt1000

Со склада таже доступны отдельные термосопротивления номиналом Pt50 (нагреватель) и Pt1000 (термосенсор). Элементы имеют миниатюрный размер 2 x 2.3 мм, их тыльная сторона покрыта металлом, что и позволяет приваривать, припаивать или иным способом крепить элементы к поверхности. 

Более подробная информация доступна в разделе «Термосопротивления».

 

Документация

На сайте производителя доступна документация как на датчик Out Of Liquid, так и на отладочную плату.

 

Запускаем датчик скорости потока газа / Хабр

Почти год назад была опубликована

статья

с обзором датчиков скорости потока газов и жидкостей производства компании IST-AG.

В прошлый раз у меня была возможность только на пальцах пояснить основной принцип работы этих элементов, зато сейчас я публикую вполне содержательный рассказ о термоанемометрическом датчике потока серии FS7.

Мы начнём с теоретической базы, а закончим видео, где с помощью велосипедного насоса и скотча демонстрируется работа прототипа измерительного устройства на базе FS7.



Итак, все датчики потока производства IST используют тепловой принцип измерений — скорость потока рассчитывается либо из количества тепла, которое отдает потоку нагретое тело, либо из разницы показаний двух датчиков температуры, расположенных вдоль потока симметрично относительно нагретого тела.

В первом случае датчик потока называется термоанемометрическим и не позволяет определять направление потока, а во втором случае датчик называется калориметрическим и позволяет определить и скорость, и направление потока.

Принцип работы термоанемометрического датчика


Сегодня мы говорим о чувствительных элементах самой простой конструкции — о термоанемометрических датчиках. Термоанемометрический чувствительный элемент состоит из датчика температуры и нагревательного элемента.

В отсутствии потока температура нагревателя остается неизменной,

а при наличии потока нагреватель начинает отдавать своё тепло окружающей среде.

Количество тепла, которое отдается потоку нагретым элементом, зависит от теплофизических характеристик среды, от параметров трубы и от скорости потока. Для приложений, где характеристики среды и размеры трубы известны, теплоотдача нагревателя может использоваться для расчета скорости потока.

И датчик температуры, и нагреватель представляют собой платиновые термосопротивления — элементы, сопротивление которых практически линейно зависит от температуры среды.

Всё что нужно знать термосопротивлениях — в статьях «Термосопротивления: теория» и «Термосопротивления: производственный процесс»

Оба термосопротивления включаются в мостовую схему, которая в отсутствии потока уравновешена. Когда скорость потока увеличивается, нагреватель охлаждается, его сопротивление изменяется и мост разбалансируется. Сигнал разбаланса поступает на усилитель, выходной сигнал усилителя сообщает нагревателю более высокую температуру и приводит мост обратно в равновесное состояние. Величина напряжения, которое требуется чтобы уравновесить мост, является функцией от скорости потока.

Структура датчика


Процесс производства датчиков скорости потока IST очень похож на производство обычных термосопротивлений (датчиков температуры). На статью, посвященную производству тонкопленочных термосопротивлений, я ссылаюсь чуть выше.

На керамическую подложку, обладающую низкой теплопроводностью, напыляются платиновые меандры — токопроводящие дорожки, из которых формируются два термосопротивления.

Первое термосопротивление — нагреватель — имеет номинальное сопротивление R0 = 45 Ом, второе — датчик температуры — имеет номинальное сопротивление R0 = 1200 Ом.

На подложку также наносятся необходимые соединения и контактные площадки для крепления выводов. Конструкция с обеих сторон покрывается пассивационным слоем из стекла, после чего к датчику крепятся выводы.

Формула расчета скорости потока


Я не вижу смысла углубляться в физику и разбирать вывод формулы для расчета скорости потока, отмечу лишь основные законы, на которых эта формула базируется.

1. Уравнение теплового баланса — зависимость количества теплоты , которую отдал среде нагреватель, от разности температур нагревателя и среды , площади поверхности нагревателя и коэффициента теплообмена нагревателя .

2. Закон Кинга, связывающий количество теплоты с мгновенной скоростью потока

, где

Формула для расчета скорости потока, в который помещен элемент FS7, является результатом преобразований и упрощений закона Кинга. Формула имеет следующий вид:

— выходное напряжение схемы


— напряжение при отсутствии потока (величина

отражает

— изначальную разницу между температурой нагревателя и температурой среды)


— коэффициент, который зависит от профиля потока и от положения датчика; значение

принадлежит диапазону (0.9…0.93)


— коэффициент, для датчиков FS7 равный 0.51


— искомая скорость потока

В работе также используют обратную формулу .

Коэффициенты и подбираются в процессе калибровки датчика (см. ниже).

Схема включения датчика


Датчик FS7 имеет три вывода: контакт нагревателя, контакт датчика температуры, земля.

Универсальной схемы включения датчика, как и детальных рекомендаций по его монтажу, нет. Причина очевидна — отношение скорости потока к напряжению зависит не только от геометрии чувствительного элемента, но и от параметров среды (температура, состав, давление, наличие механических частиц), а также от геометрии трубы, положения датчика в трубе и от профиля потока. В каждой конкретной задаче этот набор параметров будет отличаться, поэтому подбор номиналов для схемы включения и расчет коэффициентов для расчета скорости потока подбираются для каждой задачи отдельно.

Однако всегда нужно от чего-то отталкиваться, в данном случае оттолкнуться лучше всего из схемы, приведенной в документации на FS7:

Пример зависимости выходного напряжения от скорости потока:

Для калибровки датчика используют три точки — нулевая скорость, максимальная скорость потока и точка посередине.

В отсутствии потока фиксируется значение . Пусть В.

При В и м/c формула принимает вид .

При В при м/c формула принимает вид

Получаем систему из двух уравнений с двумя неизвестными, из которой находим и .

Подставив значения , и напряжение в формулу , получим простое выражение для вычисления скорости потока.

Типы датчиков FS7 и модуль FS-flowmodul


Выпускается три стандартных исполнения датчика FS7, которые отличаются друг от друга наличием круглого пластмассового корпуса и рабочим диапазоном температур.

На этапе знакомства с датчиками серии FS7 можно также использовать готовый модуль FS-Flowmodul, на котором реализована схема включения.

Плата FS-Flowmodul имеет три контакта для подключения датчика FS7 с одной стороны и контакты Питание, Земля и Выходной сигнал с другой стороны. Кроме прочего, плата оснащена потенциометром для подстройки выходного напряжения (см. резистор R2 на схеме включения).

Важно отметить, что модуль не предназначен для использования в серийных устройствах. Плата может использоваться только на этапе прототипирования, когда кому-то проще собирать схему самостоятельно, а кому-то удобнее заплатить мне лишние 108 евро и получить готовую отладочную плату 🙂

Демонстрация


Естественно, для демонстрации работоспособности датчика был выбран самый простой путь. Датчик подключается к FS-Flowmodul, а выход модуля — ко входу АЦП на управляющей плате.

Отладочная плата построена на базе микроконтроллера от SiLabs и подключена к сенсорному TFT-дисплею от Riverdi.

Процессу создания программы для вывода информации на этот дисплей было посвящено целых пять статьей на хабре. Теперь к описанному ранее прототипу для измерения температуры и влажности добавился модуль для измерения скорости потока.

Кстати говоря, когда мы показываем этот прототип живьем, то для демонстрации работы датчиков на них достаточно просто подуть — от дыхания одновременно увеличиваются и влажность, и температура, и скорость потока. К сожалению, этот процесс никак не получается красиво снять на видео, поэтому работа датчика HYT-271 демонстрировалась на кружке кипятка, а для FS7 пришлось соорудить кустарный воздуховод из трубки для чистики аквариума, в которую с помощью велосипедного насоса подается воздух.

Важно: датчик должен быть установлен по центру диаметра трубы, рабочей поверхностью ровно вдоль направления потока.

Примечания


  1. Я допускаю некоторые упрощения при описании описании физических явлений, которые на практике работы с датчиками потока должны быть учтены. Цель сегодняшней публикации — продемонстрировать базовые принципы работы чувствительных элементов FS7. Однако если найдутся комментаторы, готовые раскрыть физику процесса поподробнее, то такие пояснения будут приняты автором с благодарностью, выраженной в скидке на покупку FS7.
  2. Вся информация, которую можно найти в интернете для flow sensor FS5, актуальна и для датчика FS7. В первую очередь рекомендую Application Note FS5 и статью, в которой кроме прочего есть описание профиля потока.

Заключение


В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.

upd: все упомянутые датчики и модули доступны со склада. Больше информации на efo-sensor.ru

Трубчатый датчик термоанемометра (лаб. 13)

Трубчатый датчик термоанемометра предназначен для измерений высокочастотных пульсаций газовых потоков. Чувствительный элемент датчика термоанемометра выполнен из монокристаллического полупроводникового материала трубчатой формы, на внутреннюю или наружную поверхность которой нанесен чувствительный слой электропроводного материала. Трубчатая форма чувствительного элемента и используемые материалы обладают высокой прочностью. Значительно меньшая площадь поперечного сечения трубчатого чувствительного элемента по сравнению с проволочкой стандартного датчика приводит к существенному уменьшению теплопередачи вдоль чувствительного элемента, поэтому его длину можно сделать гораздо меньше, чем у проволочного датчика. Вследствие этого увеличивается прочность и пространственное разрешение датчика. Частотная характеристика трубчатого датчика подобна частотной характеристике проволочного датчика, но постоянная времени при одинаковом наружном диаметре уменьшается пропорционально уменьшению площади поперечного сечения, примерно в 25 раз.


Трубчатый датчик термоанемометра

Технические характеристики

Наружный диаметр трубчатого чувствительного элемента, мкм 5 -100
Толщина стенки трубчатого чувствительного элемента, мкм 0,01 — 1
Постоянная времени датчика, мкс 0,3 — 300

Технико-экономические преимущества

  • высокая чувствительность к высокочастотным пульсациям потока;
  • широкий диапазон размеров чувствительных элементов датчиков и их технических характеристик

Область применения

Трубчатый датчик позволяет проводить измерения высокочастотных пульсаций скорости при сверх- и гиперзвуковых скоростях газовых потоков. Особенностью трубчатого датчика термоанемометра является отсутствие необходимости компенсации тепловой инерции чувствительного элемента при измерениях на дозвуковых скоростях вследствие малой массы микротрубки.

Опытные образцы изготовлены и испытаны в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск.

Разработка запатентована в России.

Коммерческие предложения:

  • продажа трубчатых термоанемометрических датчиков.

с.н.с. Анискин В.М., тел.: (383) 330-85-28, e-mail:[email protected]

Принцип работы термоанемометрического регулятора расхода газа MASS-STREAM

Термоанемометрические расходомеры – одна из разновидностей тепловых расходомеров, измеряющих массовый расход газа. При относительной простоте конструкции термоанемометрические расходомеры обладают отличными эксплуатационными характеристиками. Они с высокой точностью измеряют массовый расход газа (разница между массовым и объемным расходом газа обсуждается в этой статье), их показания в малой степени зависят от рабочих температуры и давления газа.

Кроме того, они могут работать в системах с минимально допустимыми перепадами давления на приборе; у них низкая чувствительность к наличию загрязнений в газовом потоке; они дешевле других тепловых расходомеров. В случае, если Вам необходимо измерять, а тем более регулировать расход газа, обратите внимание на этот тип расходомеров. Да-да, расходомеры MASS-STREAM могут комплектоваться регулирующим клапаном и самостоятельно контролировать расход газа.

За счет чего достигаются такие технические характеристики? Рассмотрим устройство расходомера MASS-STREAM. Измерительная часть прибора представляет собой прямую трубку, внутри которой расположены два стальных зонда: первый по ходу движения газа – нагреватель, второй – датчик температуры (см. рисунок 1). На входе в прибор устанавливаются сетчатые экраны, формирующие требуемый профиль потока газа внутри измерительной части.

Рисунок 1. Устройство измерительной части термоанемометрического расходомера MASS-STREAM

 

Из рисунка видно, что перепад давления на измерительной части прибора чрезвычайно мал и не превышает падения давления в прямой трубе того же диаметра. Сетчатые экраны чистого расходомера создают минимальный дополнительный перепад порядка нескольких миллибар.

Если в потоке газа имеются маленькие твердые частицы (размером несколько десятком микрометров) или капли жидкости, то они смогут пройти измерительную часть расходомера насквозь, не задерживаясь внутри прибора. В отличие от калориметрических расходомеров с разделением потока, где загрязнения с очень большой вероятностью остаются внутри пропорционального делителя потока.

При наличии в потоке крупных твердых частиц они будут задерживаться сетчатым экраном со стороны входного коннектора. Накапливаясь, загрязнения могут искажать профиль газового потока внутри измерительной части, что негативно скажется на точности показаний расходомера. Эффективным способом очистки прибора в этой ситуации будет продувка расходомера сухим инертным газом со стороны выходного коннектора (в обратном направлении). Загрязнения будут удалены потоком газа, а прибор будет снова готов к работе, восстановив свою точность.

Обсудим формирование сигнала измерительным сенсором расходомера MASS-STREAM при прохождении газового потока. Управляющая плата контролирует ток через зонд-нагреватель таким образом, чтобы между двумя зондами поддерживалась постоянная разность температур ΔT (см. Рисунок 2а). Проходящий газ охлаждает зонд-нагреватель (см. Рисунок 2б). Компаратор управляющей платы регистрирует уменьшение разности температур между двумя зондами. Для поддержания постоянного значения ΔT на нагреватель подаётся дополнительная электрическая мощность (см. Рисунок 2в). Это увеличение мощности нагревателя оказывается пропорциональным массовому расходу газа. Чем выше расход газа, тем больше мощности подается на нагреватель.

Рисунок 2. Принцип измерения расхода газа термоанемометрического расходомера MASS-STREAM

 

В процессе калибровки расходомера на заводе внутрь прибора записывается калибровочная кривая. Она устанавливает взаимосвязь между сигналом от измерительного контура (током/мощностью нагрева зонда) и расходом газа, с которым будет работать прибор. Динамический диапазон такой калибровочной кривой достигает 1:100. Например, один измеритель расхода может достоверно измерять расход от 1 до 100 н.л/мин N2.

Калибровочная кривая хранится в энергонезависимой памяти микропроцессора управляющей платы расходомера. Управляющая плата формирует «сырой» сигнал расхода в измерительном контуре, накладывает на него калибровочную кривую и получает сигнал массового расхода газа, на который рассчитан расходомер. Сигнал расхода может выдаваться расходомером MASS-STREAM в виде аналогового сигнала в одном из форматов: 0…5 В, 0…10 В, 0…20 мА или 4…20 мА. Кроме того, управляющая плата может передавать выходной сигнал по цифровому интерфейсу: RS-232 (FLOWBUS), RS-485 (FLOWBUS, Modbus, Profibus) и т.д.

Здесь необходимо затронуть вопрос чувствительности показаний прибора к температуре и давлению рабочего газа. В самом начале статьи отмечено, что эта чувствительность слабая. Обусловлено это тем, что коэффициент пропорциональности между мощностью нагревателя и расходом определяется такими физическими свойствами газа, как теплопроводность, удельная теплоемкость, динамическая вязкость и плотность. А они, как правило, слабо зависят от температуры и давления газа. Однако эта зависимость есть, и для сохранения точности измерения расхода ее необходимо учитывать.

Отсюда есть еще одно важное следствие. В случае, если мы поочередно будем подавать на термоанемометрический расходомер одинаковый массовый расход двух различных газов, то расходомер будет давать различные показания расхода. Ведь физические свойства разных газов отличаются. На Рисунке 3 схематично показаны зависимости показания расходомера от величины расхода для различных газов. Многоатомные молекулы газа обладают большей теплоемкостью и эффективнее охлаждают зонд-нагреватель. Соответственно, плата подает большую электрическую мощность для поддержания перепада температур ΔT, и тем выше становится сигнал от сенсора.

Рисунок 3. Зависимость показаний термоанемометрического расходомера от величины расхода для Ar, N2, CO2, C3H8

 

Итак, максимально точные показания расходомер MASS-STREAM будет давать в случае, когда рабочие условия (рабочий газ, температура и давление газа) совпадают с условиями калибровки, указанными в заводском калибровочном сертификате. В ситуации, когда рабочие условия отличаются от условий калибровки, для сохранения точности показания прибора следует пересчитывать. Повторимся, что получившаяся корректировка будет составлять не более нескольких процентов, а, зачастую, и доли процента. Производитель предлагает удобный онлайн сервис для коррекции показаний расходомеров MASS-STREAM: www.fluidat.com (FOTN), раздел CFDirect (Рисунок 4).

Рисунок 4. Онлайн сервис FOTN для коррекции показаний термоанемометрического расходомера MASS-STREAM

 

Наличие цифровой управляющей платы в расходомерах MASS-STREAM позволяет реализовать еще один способ коррекции показаний под изменяющиеся условия эксплуатации. Если расходомер будет использоваться в нескольких фиксированных режимах работы, то прибор можно откалибровать для этих режимов уже на заводе. В прибор будет записано несколько калибровочных кривых, максимально 8. При изменении режима работы пользователь сможет с помощью встроенного дисплея или цифрового интерфейса выбрать подходящую калибровочную кривую.

Используя дополнительные калибровочные кривые, можно легко решить проблему пересчета показаний расходомера при значительном изменении температуры и давления рабочего газа.

Еще одна типичная ситуация – использование одного и того же расходомера при работе с различными газами. В этом случае необходимо убедиться в совместимости материала корпуса и уплотнительных колец со всеми рабочими газами. Если расходомер оснащен регулирующим клапаном, то также необходимо проверить пропускную способность клапана Kv и возможность поддержания клапаном стабильного расхода для каждого газа. При размещении заказа на новый расходомер с калибровочными кривыми для разных газов эту работу проводит инженер отдела продаж. Если в Вашем распоряжении имеется расходомер MASS-STREAM, который Вы хотите использовать с новым газом, рекомендуем предварительно проконсультироваться с нашей службой технической поддержки.

Также с помощью дополнительных калибровочных кривых можно расширить динамический диапазон расходомера MASS-STREAM. Стандартный измеритель расхода имеет динамический диапазон до 1:100. Однако, записав в прибор две калибровочные кривые для рабочего газа, одну – в нижней части рабочего диапазона для выбранной модели, другую – в верхней части, динамический диапазон можно расширить вплоть до 1:500.

Еще одна важнейшая характеристика любого расходомера – точность измерения. До недавнего времени производитель поставлял расходомеры MASS-STREAM с точностью 2% от ВПИ. Приборы внесены в Госреестр средств измерения РФ в 2016 году с такой же точностью. Начиная с мая 2019 года, производителю удалось улучшить точность выпускаемых расходомеров, теперь погрешность измерений не превышает 1% от показаний + 0,5% от ВПИ. Таким образом, расход 100% ВПИ измеряется с погрешностью не более 1,5% ВПИ, расход 50% ВПИ – с погрешностью не более 1% ВПИ, а расход 1% ВПИ – с погрешностью не более 0,51% ВПИ. Значимое улучшение точности. Такого результата удалось добиться за счет целого ряда усовершенствований в процессах производства и калибровки приборов.

Регулирование расхода газа

Производитель предлагает не только измерители, но и регуляторы расхода газа (РРГ). Расходомеры MASS-STREAM могут комплектоваться регулирующим клапаном, работой которого управляет сам расходомер. Пользователю достаточно задать расходомеру требуемый расход по аналоговому или цифровому интерфейсу. Управляющая плата прибора сама преобразует поданный сигнал в значение требуемого расхода, сравнит текущий измеренный сигнал расхода и сформирует управляющий сигнал на регулирующий клапан.

 

Управляющий сигнал на клапан формируется встроенным ПИД-регулятором. Чем больше отклонение текущего расхода от требуемого, тем быстрее изменяется управляющий сигнал. На Рисунке 5 показан график, поясняющий работу ПИД-регулятора в приборах MASS-STREAM. Зеленая и красная кривые показывают измеренный и требуемый расход, а фиолетовая кривая – управляющий сигнал на клапан, формируемый ПИД-регулятором.

Рисунок 5. Формирование ПИД-регулятором управляющего сигнала на регулирующий клапан

 

Двумя синими овалами обведены участки графика, где изначально отличие измеренного и требуемого расходов велико. ПИД-регулятор сразу же старается резко изменить сигнал на клапан. В первом случае сигнал на клапан увеличивается, во втором – уменьшается. Как только разница измеренного и требуемого расхода уменьшается, ПИД-регулятор медленнее изменяет сигнал клапана, чтобы расходы точно совпали. На обоих участках графика в конце наблюдается «перерегулирование», когда измеренный сигнал становится немного больше, чем заданный. ПИД-регулятор сразу же начинает снижать сигнал на клапан, и спустя секунду измеренный и требуемый сигнал совпадают.

Управляющая плата корректирует управляющий сигнал на клапан в течение нескольких миллисекунд. Процесс формирования сигнала на клапан динамический, ПИД-регулятор постоянно отслеживает разницу измеренного и требуемого сигнала. Это позволяет быстро реагировать на резкие изменения давления в трубопроводе, поддерживая расход стабильным. Или быстро отрабатывать изменения величины требуемого расхода.

В большинстве случаев в качестве регулирующего клапана в регуляторах расхода MASS-STREAM используются электромагнитные клапаны. Схема электромагнитного клапана прямого действия для расходов до 10 н.л/мин N2 показана на Рисунке 6.

Рисунок 6. Схема встроенного электромагнитного клапана регулятора расхода газа MASS-STREAM

 

Для электромагнитных клапанов управляющая плата контролирует силу тока через катушку. При подаче тока внутри электромагнитной катушки формируется магнитное поле, которое воздействует на держатель плунжера, изготовленный из ферромагнитного материала. Катушка стремится поднять плунжер над орифайсом. Это воздействие компенсируется упругой силой плоской пружины, которая наоборот прижимает плунжер к орифайсу. В ситуации, когда на катушку подается достаточно сильный ток, плунжер отрывается от орифайса и между ними образуется зазор. Через расходомер начинает идти расход газа.

Ток через катушку регулируется таким образом, чтобы расстояние между плунжером и орифайсом в точности соответствовало пропусканию требуемого количества газа.

Проходное сечение орифайса подбирается в зависимости от необходимой пропускной способности клапана. Для каждого прибора расчет проводится индивидуально. Для клапанов, показанных на Рисунке 6, диаметр орифайса варьируется в диапазоне от 0,05 до 1,3 мм. Для надежной работы такой клапан требует перепада давления, значительно больше, чем для измерительной части. Речь идет о сотнях миллибар и более. Это необходимо учитывать при подборе регулятора расхода газа MASS-STREAM.

 

Цифровые возможности MASS-STREAM

Термоанемометрические расходомеры MASS-STREAM комплектуются электронной платой с микропроцессорным управлением. Это позволяет реализовывать в приборах полезный и востребованный функционал помимо того, что описан выше. Расходомеры измеряют мгновенный расход газа, но при этом могут измерять количества газа, прошедшего через прибор, с помощью встроенного счетчика. Счетчик имеет два режима работы: простой учет количество газа; отсчет заданного количества газа с подачей сигнала и автоматическим изменением требуемого расхода (для регуляторов расхода) по достижении установленного лимита.

Прибор имеет функцию сигнализатора с несколькими режимами работы: выход измеренного сигнала за заданные пределы, достижение лимита счетчиком, аварийное отключение питания. Расходомеры MASS-STREAM могут комплектоваться интегрированным многофункциональным дисплеем с кнопками управления. Он позволяет выполнять целый ряд функций, в том числе отображение фактического расхода, показаний счетчика и сигнализации, выбор необходимой калибровочной кривой и т.д.

 

Вы можете посмотреть видеоролик, наглядно показывающий принцип действия термоанемометрического регулятора расхода газа MASS-STREAM.

 

Термоанемометры KIMO LV 120/LV 130 c зондом крыльчаткой

Термоанемометры KIMO LV 120/LV 130 c зондом крыльчаткой

Термоанемометры Kimo LV 120 / LV 130 c зондом крыльчаткой и их функции:

  • Измерение температуры
  • Измерение объемного расхода воздуха
  • Измерение скорости воздуха и температуры окружающей среды
  • Выбор единиц измерения
  • Функция «HOLD» (фиксирование показаний)
  • Максимальное и минимальное значение
  • Автоматическое вычисление среднего значения
  • Расчет скорости потока воздуха
  • Расчет скорости потока воздуха с раструбом
  • Настраиваемое автоматического отключение
  • Настраиваемая подстветка
  • Определение направления потока

Термоанемометры LV 120 / LV 130 с крыльчаткой — технические характеристики:

Измерительные элементы Крыльчатки: Датчик Холла
Температура окружающей среды: Pt100 класс A
Дисплей 4 строки, ЖК-дисплей. Размер 50 x 34,9 мм
2 строка, 5 знаков с 7 сегментами (значение)
2 строка, 5 знаков с 16 сегментами (единица)
Корпус Ударопрочный, изготовлен из ABS пластика (акрилонитрил-бутадиен-стирол), защита IP54
Клавиатура С металлическим покрытием, 5 клавиш
Соответствия электромагнитная совместимость (EN 61326-1)
Источник питания 1 алкалиновая батарея 9В 6LR61
Рабочая температура от 0°C до +50 °C
Температура хранения от -20°C до +80 °C
Автоотключение регулируется от 0 до 120 мин
Масса 300 г
Языки меню Французский, английский

Термоанемометры Kimo LV 120 / LV 130 с зондом крыльчаткой — особенности

   Термоанемометр LV 120 — Зонд-крыльчатка ø 100 мм. Неподвижный, невращающийся.

   Термоанемометр LV 130 — Зонд-крыльчатка ø 100 мм. Подвижный и неподвижный. Поворот крыльчатки : +180°/-–90°шаг 90°.

Единицы измеренияДиапазон измерения   ПогрешностьРазрешение
Скорость воздуха
м/с, фут/мин, км/ч от 0,25 до 3 м/с
от 3,1 до 35 м/с
±3% показаний ±0,1 м/с
±1% показаний ±0,3 м/с
0,01 м/с
0,1 м/с
Поток воздуха
м3/с, фут3/мин, л/с, м3/час от 0 до 99999 м3/час ±3% показаний ±0,03, площадь (см2) 1 м3/час
Температура окружающей среды
°С, °F от 0 до 50 °С ±0,4% показаний ±0,3 °С 0,1 °С

Принцип действия LV 120 / LV 130 термоанемометров KIMO

Анемометр: Датчик Холла

Вращение вала крыльчатки приводит в действие 8-полюсный магнит. Двойной датчик Холла, расположенный рядом с магнитом, воспринимает изменение полярности магнитного поля. Сигнал датчика преобразовывается в электрический сигнал, частота которого изменяется пропорционально скорости потока воздуха. Последовательность сигналов позволяет определить направление потока воздуха. 

Термометр: Зонд Pt100

Pt100 представляет собой резистор с положительным температурным коэффициентом, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Чем выше температура, тем больше увеличивается значение сопротивления, т.е. для 0°С ~ 100 ОМ для 100°С ~ 138,5 Ом.

Размеры термоанемометров LV 120 / LV 130

   

Термоанемометры Kimo LV 120 / LV 130 и их комплектация:

ОписаниеLV 120LV 130
Зонд крыльчатка ø 100 мм +  
Подвижный зонд крыльчатка ø 100 мм   +
Раструб для воздушного потока К25 — К85
Кейс для транспортировки + +

+  входит в комплект поставки —  дополнительно

 

Гарантийный период термоанемометров LV 120 / LV 130

Приборы имеют гарантию 2 года в случае обнаружения производственного дефекта (требуется возврат в отдел послепродажного обслуживания для выполнения оценки).

Сопутствующие товары

Термоанемометры KIMO LV 120/LV 130 c зондом крыльчаткой,
заполните заявку и наши специалисты перезвонят Вам в течение часа.

Не могу найти указанный чанк «ajax-fos-product» с формой.

Характеристики термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной теплоотдающей поверхностью

-¡а правах рукописи

с-

ИИ4Ь156?0 лр

САХОВСКИЙ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОАНЕМОМЕТРА ПОСТОЯННОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ С ЗАГРЯЗНЕННОЙ ТЕПЛООТДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

СпециальностИ;01.04.14 — теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

— 2 ЛЕК 2010

Казань, 2010

004615675

Работа выполнена в Исследовательском центре проблем энергетики Казанского научного центра РАН и Казанском государственном техническом университете им. / о -__

кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Методы и средства измерения мгновенных значений гидродинамических и тепловых параметров потока играют важную роль в задачах управления различными технологическими процессами, а также находят широкое применение при проведении научных исследований в теплофизике, механике жидкости и газа, химии и других областях, где необходимо контролировать параметры текучей среды. Среди наиболее доступных и универсальных следует выделить термоанемометрический метод, используемый как при проведении фундаментальных исследований, так и в промышленности.

Одним из примеров применения термоанемометрического метода в промышленности служат вихревые расходомеры газа. Принцип их действия основан на эффекте формирования дорожки Кармана в следе за неподвижным телом обтекания. Поле скоростей за телом обтекания начинает пульсировать с частотой срыва вихрей. Термоанемометрический датчик скорости преобразует эти пульсации в выходной электрический сигнал, из которого в свою очередь выделяется частота срыва вихрей, которая в широком диапазоне скоростей пропорциональная объемному расходу через преобразователь.

В реальных условиях эксплуатации термоанемометра в научных исследованиях и в технике чувствительный элемент датчика часто находится в условиях загрязненного потока, в котором присутствуют частицы пыли, ржавчины, пары различных органических соединений и другие вещества. Эксплуатация термоанемометра в оборудовании, где невозможно обеспечить чистоту среды, ведет к постепенному загрязнению нити датчика.

Известно, что загрязнение чувствительного элемента неблагоприятно влияет на погрешность измерений и частотные характеристики термоанемометра. Учитывая, что в вихревом расходомере основным информативным параметром является частота пульсационной составляющей сигнала, некоторое ослабление амплитуды, связанное с загрязнением нити, допускается и никак не влияет на погрешность измерения расхода. Однако при сильном загрязнении нити амплитуда полезного сигнала уменьшается настолько критично, что становится одного порядка с амплитудой шумов различной природы. В этом случае достоверность выделения частоты срыва вихрей ставится под сомнение и погрешность измерения расхода не гарантируется.

До настоящего времени изучалось лишь влияние присутствия в потоке частиц загрязнения на работу термоанемометрического датчика скорости, без учета толщины и теплофизических свойств слоя загрязнения нити. Вопрос допустимой степени загрязнения чувствительного элемента детектора вихрей в вихревом расходомере газа не ставился.

В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной диагностике загрязнения термоанемометрической нити в вихревом расходомере, представляется актуальной.

Цель работы состоит в разработке надежных методов диагностирования степени загрязнения нити термоанемометра постоянного сопротивления в процессе эксплуатации и прогнозирования последствий загрязнения нити на результат измерений.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью, работающего в качестве измерителя скорости потока и детектора вихрей вихревого расходомера газа.

2. Провести численное и физическое моделирование влияния фактора загрязнения на статические и динамические характеристики термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной термоанемометрической нитью.

3. Разработать метод диагностирования степени загрязнения термоанемометрической нити в вихревом расходомере.

4. Выработать и обосновать критерий допустимого загрязнения термоанемометрической нити в процессе эксплуатации вихревого расходомера.

Научная новизна.

1. Разработана модель термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной теплоотдающей поверхностью, работающего в качестве измерителя скорости потока и детектора вихрей в вихревом расходомере. Модель основана на решении двумерной задачи теплопроводности с учетом концевых утечек и зависимости тепловыделения от местной температуры нити. Адекватность модели подтверждена экспериментальными данными.

2. Оценено и обобщено влияние основных факторов загрязнения на статические и динамические характеристики работы термоанемометра с загрязненной нитью.

3. Предложен и апробирован метод диагностирования степени загрязнения термоанемометрический нити в процессе эксплуатации расходомера, основанный на связи ослабления амплитуды выходного сигнала со степенью загрязнения.

4. Предложен и обоснован критерий допустимой степени загрязнения чувствительного элемента детектора вихрей, при котором обеспечивается измерение расхода газа без дополнительной погрешности от этого фактора.

Практическая и научная значимость.

Разработанные методы позволяют оценить влияние степени загрязнения чувствительного элемента термоанемометра, работающего в качестве датчика скорости и детектора вихрей расходомера газа, на изменение градуировочной зависимости и АЧХ.

Метод прогнозирования загрязнения нити термоанемометра в процессе эксплуатации вихревого расходомера позволяет заблаговременно предупредить о предпосылках появления дополнительной погрешности измерения расхода.

Результаты работы использованы в отчетах по гранту Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-4334.2008.8), грантам РФФИ (06-08-00521, 07-08-00330, 09-08-00597 и 08-08-12181 офи), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (проекты №02.740.11.0071 и П227). Ведется внедрение метода прогнозирования загрязнения чувствительного элемента в серийные расходомеры модельного рядаИРВИС.

Рекомендации по использованию результатов. Результаты исследований могут быть использованы при разработке вихревых расходомеров газа, а также при анализе причин дисбаланса при учете газа.

Автор защищает:

1. Математическую модель термоанемометра с загрязненным чувствительным элементом, работающего в режиме постоянного сопротивления.

2. Результаты экспериментальной оценки и моделирования статической и динамической характеристик термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью, работающего в качестве измерителя скорости потока и детектора вихрей вихревого расходомера.

3. Метод диагностирования загрязнения термоанемометрического детектора вихрей в вихревом расходомере газа по амплитудно-частотной характеристике датчика.

4. Критерий предельно допустимого загрязнения нити термоанемометра вихревого расходомера без появления дополнительной погрешности измерений расхода от влияния этого фактора.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием аттестованной экспериментальной установки и поверенных средств измерения, удовлетворительным согласованием результатов моделирования и экспериментальных данных между собой и с известными данными других авторов, хорошей воспроизводимостью опытных данных.

Личный вклад автора. Соискатель отработал технику искусственного загрязнения термоанемометрической нити, подготовил экспериментальную установку и провел все эксперименты, разработал метод моделирования термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью. Анализ полученных результатов исследований выполнен под руководством д.т.н. Н.И.Михеева.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на следующих конференциях и научно-технических семинарах: Итоговые научные конференции за 2008 и 2009 гг. Казанского научного центра Российской академии наук, Казань; Ежегодные научные аспирантские семинары Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, Казань, 20082010; VI и VII Школа-семинар молодых ученых и специалистов акад. В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в

энергомашиностроении», Казань, 2008, 2010 гг.; VIII, IX, X Международная школа-семинар «Модели и методы аэродинамики», Евпатория, 2008-2010 гг.; X Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2008; XXI Всероссийская межвузовская научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках», Казань, 2009; XVII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях» Жуковский, 2009; Научно-практическая конференция и выставка «Инновации РАН-2010», Казань, 2010 , Пятая российская национальная конференция по теплообмену, Москва, 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе -2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы. Работа изложена на /¿/у страницах машинописного текста, содержит рисунков, J_ таблиц. Список литературы включает jW наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защшу.

В первой главе диссертации выполнен анализ предметной области. На основе работ (L.V. King, H. Kramers, R. Hilpert, H.H. Bruun, D.C. Collis, MJ. Williams, S. Corrsin, P. Bradshaw, J.O. Hinze, D. Freymuth, A.E. Репу, L.S.G. Kovasznay, A.A. Жукаускас, B.E. Алемасов, А.П. Козлов, Г.А. Глебов, Н.И. Михеев, Л.П.Ярин, Б.П. Устименко и др.) дано описание термоанемометрического метода. Выполнен сравнительный анализ термоанемометров постоянного напряжения, тока и сопротивления (температуры), показаны перспективы развития основных схем. Рассмотрены основные составляющие погрешности измерений.

Обзор методов математического моделирования термоанемометра базируется на работах А.И.Попова, А.Ф.Полякова, Ю.А. Кирсанова, P.Paranthoen, С. Petit, J.C. Lecordier. Отмечено, что в большинстве моделей вопросы частотной и пространственной разрешающей способностей, а также охлаждающего влияния державок нити рассматриваются по отдельности. Отмечается, что наиболее целесообразным является объединение этих факторов в одну передаточную функцию, что и выполнено в ряде работ. Общим недостатком известных работ является допущение о том, что распределение тепловыделения вдоль нити не связано с ее локальной температурой. Между тем, в термоанемометрии применяются нити с высокой чувствительности электрического сопротивления к температуре.

Рассмотрено применение термоанемометра в роли детектора вихрей промышленного вихревого расходомера. Известно, что применение термоанемометрического датчика позволяет существенно расширить динамический диапазон измерения расхода на область малых среднерасходных скоростей потока (Д.В. Кратиров, Н.И. Михеев).

Одной из проблем при эксплуатации термоанемометра как в качестве датчика скорости, так и в качестве детектора вихрей, является загрязнение его чувствительного элемента. Имеется крайне ограниченное количество публикаций, посвященных экспериментальному исследованию работы лишь термоанемометрических датчиков скорости в условиях загрязненного потока (К. Kawashima, Н. Jorgensen, R.W. Moss). Что касается вихревой расходометрии, вопрос диагностирования загрязнения чувствительного элемента в процессе эксплуатации расходомера в литературе не ставился. Производители приборов чаще всего стараются либо снизить темп загрязнения датчика конструктивными мерами, либо регламентируют периодическую очистку чувствительного элемента датчика вне зависимости от его фактического состояния.

Отмеченные обстоятельства позволили сформулировать цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе приведено описание и основные характеристики используемых в работе экспериментальных установок и объектов исследования, оборудования и средств измерения, а также методов исследования.

Экспериментальная установка №1 (рис.1) использовалась для оценю! характеристик вихревого расходомера с загрязненным термоанемометрическим детектором вихрей. Поток атмосферного воздуха создавался с помощью турбокомпрессора. Ресивер 1 с герметичным фланцем 2 позволял сгладить пульсации давления перед критическими соплами 3, с помощью которых задавался и контролировался расход. В качестве детектора вихрей использовался цифровой термоанемометр, входящий в состав расходомера ИРВИС РС-4 4, в тело обтекания которого устанавливался исследуемый датчик (рис.2, а).

Рис.1. Схема экспериментальной установки №1: 1 — ресивер; 2 — герметичный фланец; 3 -критические сопла; 4 — вихревой расходомер ИРВИС-РС4; 5 — выравнивающее устройство; 6 — поствключснный участок; 7 — предвкгаочешгый участок; 8 -манометры; 9 -персональный компьютер.

7

Выравнивающее устройство J, поствключенный 6 и предвключенный 7 участки обеспечивали корректную работу расходомера. Давление на поствкяюченном участке и перед соплами измерялось манометрами 8. Результаты измерения выводились на персональный компьютер 9 по интерфейсу RS-232. Для каждого значения объемного расхода фиксировалась частота срыва вихрей, среднее значение и амплитуда тока. Диаметр проходного сечения измерительной магистрали D составлял 50 и 150 мм. Толщина загрязняющего слоя 5 при диаметре нити d = 8 мкм варьировалась от 1 до 20 мкм. Расход и соответствующие ему средние скорости в экспериментах изменялись в диапазоне 12.32 — 2853.8 м3/ч и 0.797 — 44.859 м/с соответственно.

а б в

Рис.2. Объекты исследования: а — форма тела обтекания расходомера и схема расположения канала перетока в нем: 1- тело обтекания, 2- канал перетока, 3- нить термоанемометра; б — камера Эйфеля; в — нить, покрытая краской, 70-кратное увеличение.

Схема лабораторной установки №2, использовавшейся для исследования характеристик однониточного термоанемометрического датчика скорости, представлена на рис. 3. Установка включала турбокомпрессор 1, ресивер 2, заслонку 3 и вихревой расходомер-счетчик газа ИРВИС-К-300 5, с помощью которых соответственно регулировался и контролировался объемный расход воздуха в тракте, поствключенный участок 4, выравнивающее устройство б, координатное устройство 8 с термоанемометрическим зондом, установленным в рабочей части камеры Эйфеля 7 (рис.2,б) диаметром 50 мм. Последняя обеспечивала равномерность профиля скорости в измерительном участке. В экспериментах использовался цифровой термоанемометр ИРВИС ТА-5.

Первоначально фиксировались параметры выходного сигнала датчиков с чистой нитью. Затем на нить наносился слой искусственного загрязнения, и эксперимент повторялся. Характеристики сигнала в цифровом виде передавались по интерфейсу 118-232 на персональный компьютер для дальнейшей обработки.

Рис.3. Схема экспериментальной установки №2: 1 — турбокомпрессор; 2 — ресивер; 3 -регулятор расхода; 4 — поствключенный участок; 5 — вихревой расходомер ИРВИС-К300; 6 — выравнивающее устройство; 7 — поствключенный участок; 8 — термоанемометрический датчик; 9 — камера Эйфеля; 10 — цифровой термоанемометр ИРВИС ТА-5; 11 -персональный компьютер.

Отработаны методы нанесения покрытия, имитирующего загрязнение. Отмечается, что из нескольких апробированных технологий наилучшее качество покрытия обеспечил метод распыления краски на нить с последующей сушкой. Слой краски не проводил электрический ток, надежно крепился на нити и не уносился потоком, обладал достаточной термостойкостью (до 200°С при толщине загрязнения до 12 мкм). Реализация этого варианта осуществлялась с помощью одноцилиндрового компрессора, распыляющего нитроцеллюлозную краску НЦ-25 на датчик, равномерно вращаемый в струе аэрозоля. Фотография нити с нанесенным слоем краски представлена на рис.2,е.

В третьей главе представлен метод моделирования выходного сигнала (силы тока) термоанемометра постоянного сопротивления с нитью, находящейся как непосредственно в потоке, так и в канале перетока, расположенном внутри тела обтекания расходомера

Загрязнение нити считалось осесимметричным, а теплофизические и электрические свойства нити, загрязняющего слоя и газа — неизменными по длине. Коэффициент теплоотдачи а между текучей средой и нитью не изменяется по длине нити, но изменяется по времени. Считалось также, что загрязняющее вещество не проводит электрический ток.д — заданное сопротивление нити, Ян -

текущее сопротивление, определяемое как

д; (7)

о да/2

здесь / — длина нити, рг — удельное электрическое сопротивление нити, а, -температурный коэффициент сопротивления. Закон теплообмена нити с окружающей средой описывался критериальным соотношением

М/ = а,+в2(11е)вз-в4Ыге (8)

с коэффициентами а\, а2, а3 и а4, принятыми на основе литературных данных. Для случая термоанемометрического датчика скорости изменение скорости потока и в расчетах задавалось по гармоническому закону:

и = и0+Аи ¿т{2ф + <р), (9)

где и0 — средняя скорость потока, А„ — амплитуда скорости, / — частота пульсационной составляющей скорости потока, ф — фазовый угол.

Для моделирования работы детектора вихрей в составе расходомера модель дополнена уравнениями, учитывающими связь между параметрами потока, набегающего на тело обтекания, и течения в канале перетока. Полагалось, что перепад давления на противоположных поверхностях обтекаемого тела в области отверстий отбора в канал перетока (рис.пр, которое оценивалось по известным соотношениям для ламинарного режима течения. Канал перетока принимался ступенчатым (рис.2,а) с участками длиной /,отв и ¿,ан и соответствующими им площадями сечений Ртъ и

Для нити и загрязняющего вещества использовалось два типа граничных условий на торцах: теплоизоляция (нулевой тепловой поток в продольном направлении) и постоянство температуры (температура в месте крепления к державке равна температуре окружающей среды). На продольной оси и в центральном поперечном сечении принималось условие теплоизоляции. На границе нити и слоя загрязнения задавалось граничное условие 4 рода:

В качестве начальных условий принималось Т- Гг.

Для численного интегрирования уравнений был выбран метод конечных элементов. Использовался переменный шаг сетки по оси абсцисс со сгущением сетки вблизи державки. Пример расчетной сетки с началом координат в центре нити показан на рис.5.

а = т

0 = 0

0 = 0

Рис.5. Пример расчетной сетки.

I, А

0,09 0.08 0,07 0,06 0,05 0.04 0,03′ 0,02 0,01 0,00-

-\Л/, м/с

Рис.6. Градуировочная характеристика датчика скорости, линия — расчет, точки — эксперимент.

В конце главы приведены результаты тестовых расчетов для термоанемометрического датчика скорости с чистой нитью диаметром й = 8 мкм и длиной / -2,5 мм. Показано, что расчетные данные при различных скоростях потока хорошо согласуются с экспериментом (рис.6), что свидетельствует об адекватности математической модели.

Незначительные отличия (до 3,5%) градуировочных характеристик могли быть вызваны

погрешностью задания тепло- и

электрофизических свойств нити.

В четвертой главе представлены результаты физического и численного моделирования статической (градуировочной) и динамической (амплитудно-частотной) характеристик термоанемометрического датчика скорости с

загрязненной нитью. Глава начинается с характеристик термоанемометра с чистой нитью как базы для оценки влияния загрязнения.

Градуировочные характеристики для датчиков с чистой нитью разной длины приведены на рис.7. Среднее значение выходного сигнала (тока) выше у коротких нитей вследствие большей доли утечек тепла (рис.8), которая и определяет смещение статической характеристики термоанемометрического датчика скорости.

Рис.7. Влияние длины нити на статическую Рис.8. Влияние относительной длины нити характеристику: 1-/=1 мм;2-/=2мм; и скорости потока на долю концевых 3 — / = 3 мм; 4 — /=4 мм; 5 — нить без утечек. утечек.

Показано, что для термоанемометра постоянной температуры тепловой поток с боковой поверхности не зависит от утечек через ножки датчика. Градуировочная характеристика реального термоанемометра отличается от градуировочной характеристики с бесконечно длинной нитью только наличием концевых утечек.

Под АЧХ чистой нити понималась зависимость отношения относительных амплитуд пульсаций тока для реальной нити с концевыми утечками и идеальной нити без утечек от частоты пульсаций скорости потока.сопб! (рис.11).

кл»[

0,9 . 0,8

0,61.

10 100 1000

-1=1 мм—1=2 мм

——1=4 мм ——1=5 мм

I Гц

10000 — 1=3 мм

0,9

0,8

0.7

Ь Гц

10 100 1000 10000

-У\/=1м/с—№5 м/с—-№10 м/с

—-№=20 м/с…..№40 м/с

Рис.9. АЧХ чистых датчиков скорости: а — различные длины нитей, (1 = 6 мкм, XV = 10 м/с, б -скорости потока, <1 = 6 мкм, 1 = 2 мм.

0,00576

0 1 80 360 540 720 ф,

—10Гц…..160Гц

—■ Ч ,[»2560Гц ——»=20480Гц

\Л/, м/с 10,1

10,0

83,478

83,477

-V/ .

63,476

——— А0

180 270 360 ф|

—-(

Рис.10. Влияние частоты пульсаций на концевые утечки.

Рис. 11. Связь скорости потока и температуры нити при/= 20 кГц.

Следует отметить, что динамическая характеристика чистой нити, рассчитанная по амплитуде пульсаций скорости, на низких частотах ослабления практически не претерпевает и близка к единице (рис.12) вследствие того, что Цу, пропорционален <7„ов (рис.10). С Рис.12. Зависимость коэффициента ростом / появляется фазовый сдвиг, ослабления пульсаций скорости от частоты который является причинои

ослабления К„.

В случае термоанемометрического датчика скорости с загрязненной нитью на статическую характеристику влияет ие только доля концевых утечек, зависящая от длины нити (рис. 13,а), но и толщина загрязняющего слоя (рис.13,б). Расчет хорошо согласуется с результатами эксперимента (рис.13, в).

Расхождение не превышало 5 % и могло быть вызвано погрешностью закона теплообмена и измерений толщины загрязняющего слоя, отклонениями формы нити от цилиндрической.

I, А

0,10 0,08 0.06 0.04 0,02 0,00 -

0

-5=0 5=0

10 20 30

……5=4 мкм

■ 6=4 мкм

— \Л/, М/С

— 5=10 МКМ 5=мкм

Рис.13. Градуировочныс характеристики датчиков скорости с загрязненными нитями: а — разные длины при (1 = 6 мкм и 8 = 10 мкм; б- разные степени загрязнения при 6 мкм и 1 = 2 мм; в — сопоставление расчета с экспериментом, <1= 8 мкм, /=2,5 мм.

В случае загрязненной нити под АЧХ понималась зависимость КА от /, где КА — отношение относительной амплитуды пульсаций тока для загрязненной нити к соответствующей амплитуде для чистой нити. С увеличением толщины загрязняющего слоя 6 наблюдается типичное для интегрирующего звена первого порядка ослабление амплитуды (рис.14, а). Кривые хорошо обобщаются при использовании в качестве аргумента безразмерного комплекса ]Ъ21а (рис. 14,6), их расслоение в данном случае происходит из-за отсутствия геометрического подобия (изменение 6 при постоянном диаметре нити).

К,

Д1 -

0.1 «\\ч

0,01

1Е-3

К,

А 1

0,1

10 100 1000 10000 Гц

5=2 мкм ……6=3 мкм ……….5=5 мкм

0,01

\

-6=10 мкм

6=15 мкм —…..6=20 мкм

1Е-3 0,01 0,1 1 10

— 6=2 мкм ……6=3 мкм …..

—6=10 мкм………-6=15 мкм —

=5 мкм 5=20 мкм

Рис. 14. АЧХ датчика скорости с толщиной загрязнения 5: а -по частоте/, б — по приведенной частоте /52/а.

Получены экспериментальные данные по ослаблению амплитуды пульсаций сигнала загрязненного термоанемометрического датчика скорости (рис.15). Определялось отношение спектров выходного сигнала, оцененных по результатам измерений, выполненных в турбулентном потоке в трубе при одинаковых условиях датчиками с загрязненной и чистой нитями. Обнаружено, что при небольших значениях 6 на низких частотах происходит не ослабление, а усиление относительной амплитуды сигнала. Расчет также хорошо согласуется с результатами эксперимента.

На рис. 16 представлена зависимость коэффициента чувствительности выходного сигнала к скорости потока (числу Рейнольдса) от Ле, объясняющая выявленный эффект. Как видно, с увеличением Яе коэффициент чувствительности увеличивается. Поэтому повышение числа Рейнольдса из-за увеличения диаметра загрязненной нити способствует усилению амплитуды пульсаций тока по сравнению с чистой нитью (при одинаковых пульсациях скорости потока). При больших частотах и толщинах загрязнения это усиление амплитуды подавляется более сильным ослаблением из-за тепловой инерционности слоя загрязнения и уменьшения температуры его наружной поверхности.

Рис.15. АЧХ термоанемометра с загрязненной Рис.16. Зависимость коэффициента нитью: расчет и эксперимент. чувствительности выходного сигнала

к скорости потока от Яе.

В петой главе представлены результаты физического и численного моделирования статической и динамической характеристик термоанемометрического детектора вихрей с загрязненной нитью.

Течение в канале перетока вихревого расходомера обладает несколькими особенностями. Скорость газа в нем изменяется по близкому к синусоидальному закону, а среднее ее значение за период срыва пары вихрей близко к нулю. Смена направления движения происходит не одновременно по всей длине нити, расположенной поперек канала перетока, поэтому уровень минимального тока несколько выше, чем в покоящемся газе. Направление потока для сигнала детектора роли не играет.

Расчет показал, что в расходомере воспроизводится эффект роста относительной амплитуды пульсаций сигнала при загрязнении детектора в

области низких частот (рис.17). Как видно из рис.18, значение передаточного коэффициента Кд в области низких частот превышает единицу.

—6 -5

= 0

2 мкы «Змкм

7 мкм

8 мкм = 11 мкм к 12 мкм

0

з 2 мкм

3 мкм — 7 мкм

8 мкм * 11 мкм » 12 мкм

600

800 1000

Ч Гц

Рис.17. Относительная амплитуда сигнала, линия -расчет, символы -эксперимент, <1 = 8 мкм, / = 4 мм.

‘.Гц

-&*?мш

…..8«7мш

——8>8*мх

——8-11ЫКМ

— та

а б

Рие. 18. Расчетная АЧХ детектора вихрей с загрязненной нитью: а -по частоте/, б — по приведенной частоте/Ь21а.

Отклонение результатов расчетов от экспериментальных данных не превышало 12%.

1000

10000 Не,

загрязнения и расходу, представленных на рис.19, влияния на погрешность измерения вследствие ослабления амплитуды сигнала не обнаружено. Полученные экспериментальные данные позволили сформулировать четкий критерий допустимой степени загрязнения нити — относительная амплитуда по сравнению с чистой нитью должна ослабляться не более чем в 3 раза и быть не менее 0.04 (по принятому методу ее определения).

По отношению фактической относительной амплитуды к ее значению для чистой нити при определенной частоте пульсаций можно оценить толщину загрязнения, точнее, комплекс /52/а. Это позволит при эксплуатации расходомера автоматически диагностировать степень загрязнения нити и своевременно формировать сообщение о необходимости промывки датчика.

Наиболее критичным загрязнение нити является в области высоких расходов (частот вихреобразования). Из-за частотно-зависимого влияния загрязнения на амплитуду сигнала для расходомеров с большим условным диаметром (меньшими частотами формирования вихрей) допускается большая толщина загрязнения. Например, для прибора с условным диаметром 200 мм частота вихрей при одинаковой скорости потока в 4 раза ниже по сравнению с Ду50 и допустимая толщина загрязнения, оцененная из равенства /52/а, составит порядка 40 мкм.

1. Разработана математическая модель термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью, работающей в качестве датчика скорости потока и детектора вихрей вихревого расходомера газа. Модель основана на решении методом конечных элементов двумерной задачи теплопроводности с учетом концевых утечек и зависимости тепловыделения от местной температуры нити.

2. На основе предложенной модели и экспериментально получены и обобщены амплитудно-частотные и градуировочные характеристики термоанемометра с загрязненной нитью в качестве датчика скорости и детектора вихрей, оценено влияние факторов загрязнения, подтверждена адекватность модели.

Выводы:

3. Выявлен эффект усиления амплитуды низкочастотных пульсаций термоанемометрическим датчиком с загрязненной нитью, установлен механизм этого явления

4. Предложен метод диагностирования степени загрязнения нити в процессе эксплуатации вихревого расходомера, основанный на выявленной зависимости относительной амплитуды пульсаций тока от этого фактора.

5. Предложен и обоснован критерий допустимого загрязнения чувствительного элемента детектора вихрей, обеспечивающий измерение расхода без дополнительной погрешности от этого фактора. Даны рекомендации по практическому использованию результатов в расходометрии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ:

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК:

1. Саховский A.B. Закономерности теплообмена термоанемометрической нити / Н.И. Михеев, A.B. Саховский, K.P. Хайрнасов и др. // Теплофизика и аэромеханика, 2010 Т. 17, №.2, стр. 189-196.

2. Саховский A.B. Прогнозирование числа Рейнольдса по сигналу термоанемометрического детектора вихрей вихревого расходомера / Михеев Н.И., Саховский A.B., Кратиров Д.В. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2010 №2, стр. 14-17.

Работы, опубликованные в других изданиях:

3. Саховский A.B. Теоретические основы термоанемометрических измерений загрязненным датчиком / Н.И. Михеев Н.И., Д.В. Кратиров Д.В., Саховский A.B. и др.// Материалы VI Школы-семинара молодых ученых и специалистов акад. В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 16-18 сентября 2008 г. -С. 197-200.

4. Саховский A.B. Термоанемометрические измерения при загрязнении нити датчика / Михеев Н.И., Кратиров Д.В., Саховский A.B., Хайрнасов K.P. // Материалы VIII Международной школы-семинара «Модели и методы аэродинамики». Евпатория, 4-13 июня 2008 г. -М.:МЦНМО, 2008.-С.110-111.

5. Саховский A.B. Термоанемометрические измерения датчиком с загрязненным чувствительным элементом // X Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 18-21 ноября 2008. -С.131-132.

6. Саховский A.B. Термоанемометрический прибор для измерения скорости и температуры потока одним датчиком / Хайрнасов K.P., Михеев Н.И., Саховский A.B. // Сборник материалов XXI Всероссийской межвузовской

научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках». Казань, 12-14 мая 2009 г.- Казань: Изд-во «Отечество», 2009. Ч.1.-С.38-39.

7. Саховский A.B. Закономерности теплообмена тонких нитей и их использование в цифровом термоанемометре / Саховский A.B., Михеев Н.И., Кратиров Д.В. и др. // Сборник материалов XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках». Казань, 12-14 мая 2009 г.- Казань: Изд-во «Отечество», 2009. Ч.1.-С.40-41.

8. Саховский A.B. Закономерности теплообмена термоанемометрической нити / Саховский A.B., Хайрнасов K.P., Михеев Н.И. и др. // Труды XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях» 25-29 мая 2009 г .Жуковский, Россия. М.: Издательский дом МЭИ. Т.1.2009 — С.141-144.

9. Саховский A.B. Термоанемометрические измерения без градуировки датчика на основе закономерностей теплообмена термоанемометрической нити / Михеев Н.И., Саховский A.B., Хайрнасов K.P. // Модели и методы аэродинамики. Материалы Девятой Международной школы-семинара. Евпатория, 4-13 июня 2009. — М.: МЦНМО — 2009. С.126-127.

10. Саховский A.B. Прогнозирование числа Рейнольдса и загрязнения нити термоанемометра в вихревом расходомере / Михеев Н.И., Кратиров Д.В., Саховский A.B. // Модели и методы аэродинамики. Материалы Десятой Международной школы-семинара. Евпатория, 3-12 июня 2010. -М.: МЦНМО-2010. С.114-115.

11. Саховский A.B. Двумерное моделирование термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненным чувствительным элементом / Кратиров Д.В., Саховский A.B. // Материалы VII Школы-семинара молодых ученых и специалистов акад. В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 15-17 сентября 2010 г. -С. 176-179.

12. Саховский A.B. Цифровой термоанемометр / Саховский A.B., Михеев Н.И., Хайрнасов K.P. и др. // Материалы Ежегодной научно-практической конференции «Инновации РАН-2010», 1 -4 июня 2010 г. -С. 183-186.

13. Саховский A.B. Диагностика загрязнения термоанемометрической нити в вихревом расходомере / Кратиров Д.В., Михеев Н.И., Сайкин А.К., Саховский A.B. // Материалы Пятой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 25 — 29 октября 2010 г. — С. 119-122.

14. Саховский A.B. Прогнозирование числа Рейнольдса по теплообмену термоанемометрической нити в канале перетока вихревого расходомера / Кратиров Д.В., Саховский A.B., Стинский Г.В. и др. // Материалы Пятой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 25 — 29 октября 2010 г. — С. 123-126.

с

Подписано в печать 09.11.10 г. Форм. бум. 60×801/16. Печ. л. 1,0. Тираж 130. Заказ № 356. Отпечатано с готового оригинал — макета в ООО «Вестфалика» г. Казань, ул. Б. Красная, 67. Тел.: 236-62-72

как это работает, симптомы, проблемы, тестирование

Обновлено: 9 июля 2021 г.

Датчик массового расхода воздуха (MAF). Датчик массового расхода воздуха (MAF) — один из ключевых компонентов электронной системы впрыска топлива в вашем автомобиле. Устанавливается между воздушным фильтром и впускным коллектором двигателя. См. Схему. Датчик массового расхода воздуха измеряет количество воздуха, поступающего в двигатель, или расход воздуха .
В современных автомобилях датчик температуры воздуха на впуске или IAT встроен в датчик массового расхода воздуха.Типов датчиков расхода воздуха немного, однако в современных автомобилях используется термоэлектрический тип. Посмотрим, как это работает.

Как работает термоэлектрический датчик расхода воздуха

Датчик массового расхода воздуха с термоэлементом имеет небольшой электрический провод (горячий провод). Датчик температуры, установленный рядом с горячей проволокой, измеряет температуру воздуха рядом с горячей проволокой.

Когда двигатель работает на холостом ходу, небольшое количество воздуха обтекает горячую проволоку, поэтому требуется очень низкий электрический ток, чтобы проволока оставалась горячей.

Датчик массового расхода воздуха Toyota (MAF). Когда вы нажимаете на газ, дроссель открывается, позволяя большему количеству воздуха проходить через горячую проволоку. Проходящий воздух охлаждает провод. Чем больше воздуха проходит по проволоке, тем больше электрического тока требуется для ее поддержания в горячем состоянии. Электрический ток пропорционален количеству воздушного потока. Небольшая электронная микросхема, установленная внутри датчика расхода воздуха, преобразует электрический ток в цифровой сигнал и отправляет его в компьютер двигателя (PCM).PCM использует сигнал воздушного потока для расчета количества впрыскиваемого топлива. Цель состоит в том, чтобы поддерживать соотношение воздух / топливо на оптимальном уровне.

Кроме того, PCM использует показания воздушного потока для определения точек переключения автоматической коробки передач. Если датчик расхода воздуха не работает должным образом, автоматическая коробка передач тоже может переключаться по-другому.

Неисправности датчика массового расхода воздуха

Датчик массового расхода воздуха Volkswagen. Проблемы с датчиками массового расхода воздуха распространены на многих автомобилях, включая BMW, GM, Volkswagen, Mazda, Toyota, Nissan и другие марки.Чувствительный элемент может быть загрязнен или поврежден.
Например, в некоторых двигателях Mazda Skyactiv неисправный датчик массового расхода воздуха может привести к проворачиванию двигателя, но не к запуску.
Неправильно установленный или разрушенный воздушный фильтр может привести к более раннему выходу из строя датчика расхода воздуха. Избыточное замачивание моющегося воздушного фильтра также может вызвать проблемы с датчиком воздушного потока.

Признаки неисправности датчика массового расхода воздуха

Загрязненный или неисправный датчик массового расхода воздуха не может правильно измерить расход воздуха.Это приводит к тому, что компьютер двигателя неправильно рассчитывает количество впрыскиваемого топлива. Датчик массового расхода воздуха (MAF). В результате неисправный датчик массового расхода воздуха вызывает различные проблемы с управляемостью, в том числе отсутствие запуска, остановку, отсутствие мощности и плохое ускорение. Кроме того, неисправный датчик массового расхода воздуха может вызвать загорание индикаторов Check Engine или Service Engine Soon. Проблема с датчиком воздушного потока также может изменить характер переключения автоматической коробки передач.

Когда сигнал датчика расхода воздуха отличается от ожидаемого диапазона, PCM регистрирует неисправность и сохраняет соответствующий код неисправности, загорая индикатор Check Engine на приборной панели.Этот код неисправности можно получить с помощью диагностического прибора. Следующие коды неисправностей обычно связаны с датчиком массового расхода воздуха:
P0100 — Неисправность контура массового расхода воздуха
P0101 — Диапазон / рабочие характеристики контура массового расхода воздуха
P0102 — Низкий уровень сигнала контура массового расхода воздуха
P0103 — «Высокий уровень сигнала массового расхода воздуха»
P0104 — «Прерывистый контур массового расхода воздуха»
Коды неисправностей P0171 Слишком бедная система (банк 1) и P0174 слишком бедная система (банк 2) также часто вызваны неисправным или загрязненным датчиком массового расхода воздуха.

Как проверяется датчик массового расхода воздуха

В современных автомобилях единственный способ проверить датчик массового расхода воздуха — использовать диагностический прибор. Механики измеряют расход воздуха (показания датчика массового расхода воздуха) при разных оборотах. Они сравнивают показания со спецификациями или показаниями заведомо исправного датчика массового расхода воздуха. Показания датчика массового расхода воздуха (MAF) 4-цилиндрового двигателя 2,4 л при разных оборотах. Часто показания датчика массового расхода воздуха измеряются на холостом ходу, 1000 об / мин, 2000 об / мин и 3000 об / мин.Загрязненный или неисправный датчик воздушного потока в большинстве случаев будет показывать более низкие значения расхода воздуха, чем заведомо исправный. В некоторых редких случаях неисправный датчик может показывать более высокие показания. Конечно, у разных двигателей будут разные показания. Расход воздуха зависит от объема двигателя, поэтому двигатель V6 или V8 будет иметь более высокие показания.

Низкие значения массового расхода воздуха не означают, что датчик неисправен. Засоренный воздушный фильтр или засоренный каталитический нейтрализатор также могут привести к снижению показаний датчика расхода воздуха. Утечки вакуума также влияют на показания датчика расхода воздуха.Вот почему механики используют заведомо исправный датчик для сравнения показаний. Подробнее: Утечки вакуума: общие источники, симптомы, ремонт.

Можно ли дома проверить показания датчика массового расхода воздуха? Конечно, например, здесь мы использовали бесплатное приложение Torque для измерения показаний датчика массового расхода воздуха при разных оборотах (на фото). Этот датчик массового расхода воздуха хорош.

Для использования любого телефонного приложения, которое подключается к автомобилю, вам понадобится адаптер Bluetooth, который подключается к разъему OBD.


Иногда плохое электрическое соединение на разъем датчика воздушного потока также может привести к тому, что показания воздушного потока будут вне допустимого диапазона. По этой причине необходимо внимательно осмотреть клеммы разъема датчика расхода воздуха, а также проводку.

Часто, если воздушный фильтр установлен неправильно или коробка воздушного фильтра не закрыта, в датчик массового расхода воздуха (см. Это фото) может попасть мусор (см. Это фото) и вызвать проблемы. Иногда во время замены воздушного фильтра может попасть мусор.В этом случае ремонт несложный. Необходимо очистить датчик массового расхода воздуха и правильно установить или заменить воздушный фильтр.

Замена датчика массового расхода воздуха

Если датчик расхода воздуха неисправен, его необходимо заменить. Это довольно простая работа. Деталь стоит от 89 до 380 долларов. Если датчик загрязнен, ваш механик может предложить его очистить (очистка датчика воздушного потока — деликатная процедура) в качестве временного решения; иногда это могло помочь. При замене датчика массового расхода воздуха убедитесь, что воздушный фильтр установлен правильно.

как это работает, проблемы, тестирование

Обновлено: 13 сентября 2021 г.

В начале 00-х обычные датчики кислорода уступили место более точным датчикам состава топливовоздушной смеси, хотя их до сих пор называют «датчиками кислорода» или датчиками O2. Датчик соотношения воздух-топливо (A / F) Датчик соотношения воздух-топливо (A / F) измеряет содержание кислорода в выхлопных газах в более широком диапазоне. Он также известен как «широкополосный лямбда-зонд» или «лямбда-зонд».

Датчик состава топливовоздушной смеси устанавливается в выпускном коллекторе или в передней выхлопной трубе перед каталитическим нейтрализатором.Его также можно назвать «передним датчиком O2». Работа датчика соотношения воздух-топливо заключается в измерении содержания кислорода в выхлопных газах и обеспечении обратной связи с компьютером двигателя (PCM). На основе сигнала датчика соотношения воздух-топливо компьютер регулирует соотношение воздух-топливо, чтобы поддерживать его на оптимальном уровне, который составляет около 14,7: 1 или 14,7 частей воздуха на 1 часть топлива.

Неисправности датчика состава топливовоздушной смеси

Проблемы с датчиками состава топливовоздушной смеси — обычное дело. Часто датчик загрязняется или просто выходит из строя.В некоторых автомобилях нагревательный элемент внутри датчика может перестать работать и вызвать неисправность. Например, во многих автомобилях Toyota и Honda код P0135 может быть вызван неисправным нагревательным элементом внутри датчика. Посмотрите, как проверяется ТЭН датчика A / F, в этой статье: код P0135. В некоторых автомобилях проводка датчика может закоротиться после трения о металлические детали. Например, в старой Mazda 3 провод датчика может тереться о кронштейн и закорачиваться, вызывая код P0131.Когда компьютер двигателя определяет, что сигнал датчика соотношения воздух-топливо выходит за пределы ожидаемого диапазона, он включает контрольную лампу двигателя.

Наиболее распространенные коды неисправностей OBDII, связанные с датчиком состава топливовоздушной смеси: P0131, P0134, P0135, P0133, P0031 и P1135. Есть ли какие-либо симптомы, кроме индикатора Check Engine? В некоторых автомобилях вы можете заметить снижение расхода топлива или проблемы с управляемостью.

Диагностика датчика состава топливовоздушной смеси

Датчик состава топливовоздушной смеси диагностируется в соответствии с процедурой устранения неисправностей производителя для установленного кода неисправности.Первый шаг — проверить наличие соответствующих бюллетеней технического обслуживания (TSB). Проводку и разъем датчика необходимо проверить на наличие повреждений, коррозии, ослабленных контактов и т. Д. Проверка датчика соотношения воздух-топливо с помощью диагностического прибора. Затем, в зависимости от кода неисправности, сигнал датчика необходимо проверить с помощью диагностического прибора. Например, см. Эту диаграмму сигнала датчика воздушно-топливного отношения на диагностическом приборе: при увеличении оборотов двигателя сигнал переходит на «богатый», затем, когда частота вращения падает и подача топлива прекращается, датчик показывает «обедненная смесь». «.После этого сигнал вернется в норму. Этот топливный датчик воздуха работает правильно.

Часто датчик может работать правильно во время проверки. В этом случае ваш механик может порекомендовать заменить датчик состава топливовоздушной смеси, чтобы исключить возможность периодической неисправности.

Задний датчик кислорода

Схема заднего (нижнего) кислородного датчика Задний или нижний кислородный датчик устанавливается в выхлопе после каталитического нейтрализатора. Он измеряет количество кислорода в выхлопных газах, выходящих из каталитического нейтрализатора.Сигнал от заднего кислородного датчика используется для контроля эффективности каталитического нейтрализатора.

Компьютер двигателя или PCM постоянно сравнивает сигналы от переднего и заднего кислородных датчиков (см. Схему). Основываясь на двух сигналах, PCM определяет, насколько хорошо каталитический нейтрализатор выполняет свою работу. Если каталитический нейтрализатор выходит из строя, PCM включает световой индикатор «Check Engine», чтобы вы знали.
Задний кислородный датчик можно проверить с помощью диагностического прибора или лабораторного прицела.

Идентификация датчика соотношения воздух-топливо / кислорода

Перед каталитическим нейтрализатором устанавливается передний кислородный датчик или датчик состава топливовоздушной смеси; он называется «восходящий» или «датчик 1».
Задний кислородный датчик, установленный после каталитического нейтрализатора, называется «нижним по потоку» или датчиком 2.
Типичный рядный 4-цилиндровый двигатель имеет только один ряд (ряд 1). Следовательно, в рядном 4-цилиндровом двигателе термин «ряд 1, датчик 1» просто относится к переднему датчику кислорода. «Банк 1, датчик 2» — это задний кислородный датчик. Обычно двигатель банка
содержит цилиндр 1, называется банком 1

Двигатель V6 или V8 имеет два ряда (или две части этой буквы «V»).Обычно банк, содержащий цилиндр номер 1, называется «Банком 1».

Разные производители автомобилей определяют Банк 1 и Банк 2 по-разному. Чтобы узнать, какой банк 1 и банк 2 в вашем автомобиле, вы можете найти его в руководстве по ремонту или вы можете погуглить, указав год, марку, модель и объем двигателя вашего автомобиля. Например, согласно бюллетеню Toyota TSB-0398-09 , в V6 Camry, Highlander, Avalon, Sienna и Solara банк 1 находится сзади, банк 2 — спереди.Точно так же в Mazda 6 V6 2003-2008 гг. Или Mazda Tribute V6 банк 1 находится сзади, банк 2 — спереди. В Nissan Maxima 2003 года банк 1 находится сзади, банк 2 — спереди.

Замена датчика соотношения воздух-топливо / кислорода

В большинстве автомобилей замена кислородного датчика — довольно простая работа, если к нему нет труднодоступного доступа. В ремонтной мастерской замена кислородного датчика стоит от 50 до 250 долларов (только рабочая сила).

Если вы хотите заменить датчик кислорода самостоятельно, имея определенные навыки и руководство по ремонту, это не так уж и сложно, но вам может понадобиться специальная розетка датчика кислорода (на фото ниже).
Иногда бывает трудно удалить старый датчик, так как он может застрять в резьбе. Мы нашли несколько видео, как снять изъятый ​​датчик O2.

При замене топливного датчика воздуха есть два варианта: установка оригинальной (OEM) или неоригинальной детали. Датчики послепродажного обслуживания большую часть времени работают нормально. Тем не менее, мы столкнулись с несколькими случаями, когда датчик вторичного рынка вызывал проблему, которая была устранена после установки датчика OEM.

Замена датчика кислорода Если цена сопоставима, лучше использовать датчик OEM.Еще одна причина использовать OEM-датчик заключается в том, что производители часто обновляют конструкцию детали, чтобы устранить проблемы, обнаруженные после производства.

Для автомобилей, сертифицированных для Калифорнии, номер детали датчика состава топливовоздушной смеси может быть другим. Лучше всего заказывать нужную деталь, используя свой VIN-номер.

Утечки вакуума: проблемы, симптомы, ремонт

Обновлено: 17 июля 2021 г.

Что такое утечка вакуума? Это утечка где-то между двигателем и датчиком массового расхода воздуха.В большинстве автомобилей датчик массового расхода воздуха устанавливается на корпусе воздушного фильтра, см. Схему. Схема системы впуска воздуха в двигатель В системе впрыска топлива датчик массового расхода воздуха измеряет расход воздуха в двигатель. Компьютер двигателя (PCM) рассчитывает, сколько топлива нужно впрыснуть, на основе измерений датчика массового расхода воздуха.

Если в любом месте между двигателем и датчиком массового расхода воздуха есть утечка вакуума, в систему попадает неизмеренный воздух. Это приводит к тому, что фактический расход воздуха превышает значение, измеренное датчиком массового расхода воздуха.В результате PCM неправильно рассчитывает количество впрыскиваемого топлива, и двигатель работает на «бедной» смеси. Термин «обедненный» означает слишком много воздуха и слишком мало топлива. Эффект утечки вакуума более заметен на холостом ходу, когда расход воздуха меньше.

Признаки утечки вакуума

Симптомы утечки вакуума включают в себя световой индикатор Check Engine, грубый холостой ход, глохнет и шипящий звук из моторного отсека. Двигатель может хорошо работать на более высоких оборотах, но бьет ключом, работает неровно и изо всех сил пытается поддерживать стабильные обороты на холостом ходу.Часто двигатель глохнет при остановке. С помощью сканирующего прибора одним из признаков утечки вакуума является долгосрочное регулирование топливоподачи (LTFT), переходящее в положительную (обедненную) сторону (например, более + 15%) на холостом ходу, но возвращающееся к нулю при более высоких оборотах. Это показатель того, что двигатель работает на обедненной смеси на холостом ходу.

Общие источники утечек вакуума:

Треснувший воздухозаборник (шноркель) Впускной патрубок: Резиновый или пластиковый воздуховод или чехол (патрубок), соединяющий впускной патрубок двигателя и корпус воздушного фильтра, может порваться или треснуть.Это очень распространенная проблема в старых автомобилях с большим пробегом. Ремонт несложный, необходимо заменить резиновый чехол. В большинстве автомобилей он фиксируется зажимами червячной передачи на обоих концах. Деталь стоит от 25 до 65 долларов. Если всасывающий пыльник неправильно установлен на корпусе воздушного фильтра (см. Это фото) или на корпусе дроссельной заслонки, это также может вызвать утечку вакуума.

Впускные коллекторы и прокладки: Впускной коллектор прикреплен болтами к головке двигателя или камере статического давления. С возрастом коробятся пластиковые впускные коллекторы.

Негерметичные прокладки впускного коллектора Прокладки и уплотнительные кольца, закрывающие зазоры, твердеют и сжимаются.Это вызывает утечку вакуума. Эта проблема очень часто встречается во многих автомобилях, включая автомобили Ford, Toyota, Chrysler и GM. Пластиковые впускные коллекторы особенно подвержены утечкам. Подробнее о впускном коллекторе.
Чтобы устранить проблему, необходимо заменить протекающие прокладки и уплотнительные кольца. Прокладки и уплотнительные кольца дешевы, но снятие впускного коллектора требует больших усилий. Ремонт стоит 20-60 долларов за детали (комплект прокладок), плюс 150-450 долларов за оплату труда.
В некоторых автомобилях пластиковый впускной коллектор может треснуть, или может отломиться одна из штуцеров.Например, трещины во впускном коллекторе были довольно распространены в некоторых старых двигателях Ford. В этом случае необходимо заменить впускной коллектор (деталь от 90 до 320 долларов). Треснувший вакуумный шланг Пластиковые и резиновые вакуумные шланги и трубопроводы: С возрастом вакуумные шланги становятся хрупкими и трескаются или рвутся. Шланги и трубопроводы, соединяющие систему PCV с впускным коллектором, особенно подвержены выходу из строя. Это происходит потому, что пары картера содержат масло, которое повреждает резину или пластик, вызывая разбухание и растрескивание шлангов и трубопроводов.Например, L-образные резиновые колена, которые соединяются с впускным коллектором, часто выходили из строя в некоторых автомобилях Ford / Mazda. Ремонт заключается в замене треснувшего вакуумного шланга или трубопровода.

Система принудительной вентиляции картера или PCV: Система PCV удаляет картерные газы и пары масла из картера двигателя.

Система PCV собирает масло из паров с помощью маслоотделителя. После этого пары через клапан PCV направляются во впуск двигателя.
Во многих BMW, Volvo и других европейских моделях пластиковые и резиновые части системы PCV трескаются и разваливаются на большем пробеге, создавая утечки вакуума.В некоторых автомобилях GM внутри клапана PCV есть резиновая диаграмма, которая очень часто выходит из строя. Чтобы устранить проблему, неисправные детали необходимо заменить. Детали не очень дорогие, но на многих автомобилях компоненты системы PCV устанавливаются под впускным коллектором. Снятие впускного коллектора — работа трудоемкая.

Клапан рециркуляции ОГ: Система рециркуляции отработавших газов направляет небольшое количество выхлопных газов во впускное отверстие для снижения температуры сгорания. Клапан рециркуляции ОГ соединяет впускной коллектор с выпускной системой.

Застрявший клапан системы рециркуляции ОГ также может вызвать утечку вакуума. Обычно он открывается только тогда, когда автомобиль постоянно движется на более высоких скоростях. Однако часто клапан рециркуляции ОГ заклинивает из-за накопления нагара. Если клапан рециркуляции ОГ застревает в открытом положении, возникает утечка вакуума, с той лишь разницей, что вместо воздуха во впускной коллектор попадают выхлопные газы.
Застрявший клапан системы рециркуляции ОГ вызывает те же симптомы, что и утечка вакуума. Часто проблемы с застрявшим в открытом положении клапаном системы рециркуляции ОГ становятся более заметными после езды по шоссе.Например, машина может заглохнуть при остановке после съезда с шоссе. Неисправный клапан системы рециркуляции ОГ должен быть заменен (деталь от 50 до 320 долларов плюс оплата труда от 90 до 320 долларов). Подробнее: Клапан рециркуляции ОГ: проблемы, симптомы, тестирование, замена.

Усилитель тормозов: Усилитель тормозов устанавливается между педалью тормоза и главным тормозным цилиндром. В большинстве автомобилей он подключен к впуску двигателя и управляется вакуумом двигателя.

Усилитель тормозов — один из возможных источников утечки вакуума. Внутри усилителя тормозов находится вакуумная диафрагма.Когда усилитель тормозов протекает, возникает утечка вакуума. Симптомы негерметичного усилителя тормозов включают шипение, исходящее из области педали тормоза, и отсутствие усилителя тормозов.

Утечка из усилителя тормозов является проблемой безопасности и подлежит замене. Некоторые производители отозвали или продлили гарантию на усилитель тормозов. FCA (Chrysler) выпустило отзыв R63 для некоторых моделей Dodge Dart. Также был отзыв P14, касающийся некоторых Dodge Durango 2011-2014 годов и Jeep Grand Cherokee. Проверьте отзывы в Safercar.губ. Несколько производителей предложили продление гарантии. Например, Mazda предложила программу продления гарантии SSP 93 для усилителей тормозов в моделях CX-9 2007–2013 годов. Ваш местный дилер может проверить эту информацию.

Диагностировать утечки вакуума не всегда просто. Механики используют диагностический прибор, специальный спрей, вакуумметр и другое испытательное оборудование. Часто, чтобы найти источник утечки вакуума во впускном коллекторе, механики используют устройство, называемое дымовой машиной .Дымовая машина производит пар, похожий на дым. Этот пар вводится во впускной коллектор, и утечка вакуума может быть обнаружена визуально по пару, выходящему в области утечки. Если оборудование недоступно, другой способ — поискать общие проблемы в вашей марке, модели и году выпуска. Если в вашей машине есть утечка вакуума, есть большая вероятность, что у кого-то уже была такая же проблема в той же машине. Попробуйте, например, выполнить поиск на YouTube или Google по запросу «Обычная утечка вакуума Toyota Corolla 2005», и вы увидите, что люди публикуют информацию о ремонте.В этом автомобиле (Corolla) впускной коллектор является частым источником утечек вакуума. Мы также нашли много видеороликов на YouTube о диагностике утечек вакуума. Также может помочь проверка бюллетеней технического обслуживания. В этой статье мы разместили несколько ссылок, по которым вы можете получить доступ к заводскому руководству по ремонту за абонентскую плату.

Неисправность цепи массового расхода воздуха

Датчик массового расхода воздуха или датчик массового расхода воздуха размещается во впускном воздуховоде между воздушным фильтром и впускным коллектором двигателя.Датчик массового расхода воздуха измеряет количество всасываемого воздуха.

Датчик массового расхода воздуха, Mercedes-Benz

Датчик массового расхода воздуха преобразует измерение расхода воздуха в сигнал напряжения или частоты, при этом напряжение или частота изменяются пропорционально количеству воздушного потока. Подробнее о датчике массового расхода воздуха.

Сигнал датчика расхода воздуха контролируется компьютером двигателя (ECM). Компьютер двигателя (ЕСМ) использует сигнал массового расхода воздуха, чтобы узнать нагрузку на двигатель и рассчитать необходимое количество впрыскиваемого топлива.Если сигнал датчика массового расхода воздуха выходит за пределы ожидаемого диапазона, ECM обнаруживает неисправность и устанавливает код P0100.

Симптомы:

Автомобиль с кодом P0100 может иметь некоторые проблемы с управляемостью, такие как остановка, отсутствие мощности, помпаж, колебания и т. Д. В некоторых автомобилях код P0100 может вызвать отказоустойчивый режим, при котором частота вращения двигателя будет ограничена до 2500. — 3000 об / мин.

Причины:

— неисправный или загрязненный датчик массового расхода воздуха
— обрыв или короткое замыкание в электрической цепи датчика массового расхода воздуха
— другая электрическая проблема с проводкой датчика массового расхода воздуха (корродированные провода, погнутые клеммы, плохое соединение с массой, сгоревший предохранитель и т. Д.)
— утечки вакуума
— ограниченный поток воздуха (забит воздушный экран, забитый воздухозаборник, засорен каталитический нейтрализатор и т. Д.)
— установлен неправильный датчик расхода воздуха
— проблема с ECM

Как диагностируется код P0101:

Если присутствуют другие коды неисправностей, возможно, сначала потребуется их проверить. Проверка стоп-кадра может помочь, поскольку он может содержать важную информацию. Стоп-кадр — это снимок параметров двигателя на момент обнаружения неисправности.Стоп-кадр может показать, ехало ли транспортное средство или остановилось, было ли соотношение воздух-топливо бедным или богатым, был ли двигатель холодным или прогретым. на момент неисправности. Подробнее о стоп-кадре.

Реклама — Продолжить чтение ниже

Во-первых, необходимо проверить разъем датчика массового расхода воздуха и проводку между датчиком массового расхода воздуха и контроллером ЭСУД на предмет обрыва или короткого замыкания, ослабленных контактов, коррозии или повреждений. Опорное напряжение массового расхода воздуха и заземление необходимо проверить на разъеме датчика.

Воздуховод между датчиком массового расхода воздуха и впуском двигателя необходимо проверить на наличие трещин, разрывов, ослабленных зажимов или неправильного соединения. Элемент воздушного фильтра необходимо проверить и заменить, если он сильно загрязнен. Двигатель необходимо проверить на герметичность. Подробнее: Утечки вакуума: общие источники, симптомы, ремонт

Сигнал датчика массового расхода воздуха необходимо проверять с помощью вольтметра или лучше с помощью сканирующего прибора при разных оборотах и ​​сравнивать со справочной таблицей или значениями заведомо хорошего массового расхода воздуха датчик.

Во многих случаях, если других проблем не обнаружено, может потребоваться замена датчика массового расхода воздуха. В некоторых автомобилях (например, Nissan) при установке нового датчика расхода воздуха необходимо сбросить полученное значение коррекции топлива.

Новый датчик массового расхода воздуха может стоить от 70 до 350 долларов. Замена датчика массового расхода воздуха (массового расхода воздуха) — простая задача и не будет дорогостоящей в автомастерской. Мы рекомендуем использовать оригинальные (OEM) детали, так как неправильный датчик массового расхода воздуха также может вызвать проблемы. Если проблема будет устранена, код P0100 исчезнет после вождения.

Примеры

Мы нашли несколько отчетов, в которых плохое соединение с массой датчика массового расхода воздуха вызывало код P0100 вместе с некоторыми другими кодами. Это происходит в разных автомобилях, включая Toyota, Opel и другие марки.

В некоторых автомобилях Volkswagen код P0100 может быть вызван обрывом провода в жгуте датчика массового расхода воздуха. В этом сообщении приводится пример.

В некоторых старых грузовиках Toyota, Subaru и Nissan (например, Nissan Maxima, Frontier, Sentra, Pathfinder, а также Infinity Q30, QX4) код P0100 может быть вызван неисправным датчиком массового расхода воздуха или нарушением пайки массового расхода воздуха. клеммы датчика потока.Иногда эта проблема может также вызывать периодические проблемы, такие как остановка или спотыкание.

Бюллетень технического обслуживания Nissan (TSB) за 2000-2001 годы Maxima описывает еще одну проблему, при которой датчик массового расхода воздуха может быть поврежден пылью / грязью, вызывая код P0100. В качестве решения Nissan рекомендует очистить корпус воздушного фильтра, заменить датчик массового расхода воздуха в сборе и установить оригинальный воздушный фильтр Nissan, а также проверить и, при необходимости, перепрограммировать ECM.

В некоторых автомобилях Volkswagen, BMW и Mercedes-Benz код P0100 также может быть вызван неисправным датчиком массового расхода воздуха.Датчик массового расхода воздуха необходимо проверить и при необходимости заменить. См., Например, этот пост.


Термоэлемент, включая датчик температуры и влажности | Тепловой | Скорость | Параметры

Используйте зонд с горячей проволокой с совместимым многофункциональным измерительным прибором testo (заказывается отдельно) для определения скорости воздуха, объемного расхода, температуры и влажности воздуха.

Зонд с горячей проволокой, включая датчик температуры и влажности — особенности

Используйте фиксированный кабель на ручке для подключения зонда с горячей проволокой к измерительному прибору (заказывается отдельно).Зонд с горячей проволокой оснащен телескопом, максимальная длина которого может достигать 1,0 м. Глубина погружения легко читается даже при плохой видимости благодаря высококонтрастному масштабированию.

Четко структурированное меню измерения объемного расхода позволяет интуитивно управлять измерительным прибором. Объемный расход точно рассчитывается благодаря удобному вводу размера и геометрии поперечного сечения воздуховода. Синхронизированный и многоточечный расчет среднего значения, среднего объемного расхода, текущих показаний и мин./Максимум. значения отображаются в измерительном приборе.

Особенно полезно: нажмите кнопку на зонде с горячей проволокой, чтобы включить измерительный прибор. Например, для сохранения отдельных показаний для расчета среднего значения по нескольким точкам или для запуска и остановки серий измерений для расчета среднего значения с течением времени.

Встроенная защита датчика: когда вы не используете датчик с горячей проволокой, вращающийся защитный колпачок защищает датчик скорости воздуха от механических воздействий.

Экономия места: больше приложений, меньше оборудования

Бесконечная универсальность: универсальная рукоятка может быть подключена ко всем головкам датчиков — так что вы можете справиться с большим количеством приложений, используя меньше оборудования и экономя место.

Закажите рукоятку Bluetooth ® , чтобы было удобнее проводить измерения и гарантировать меньшее количество кабелей в кейсе. Он передает показания на измерительный прибор с расстояния до 20 метров. Если датчики (скорости воздуха, температуры, влажности) необходимо заменить в отдаленном будущем, вы можете поменять головку зонда.

При необходимости вы также можете установить зонд с горячей проволокой с удлинителем телескопа (заказывается отдельно). Таким образом, вы можете достичь общей длины 2 метра, что упрощает измерения в больших вентиляционных системах.

Интеллектуальная концепция калибровки

Вы получите исключительно точные результаты измерений с помощью цифрового щупа, потому что измерительный прибор оставляет неопределенность измерений в прошлом. Вам нужно всего лишь отправить головку зонда на калибровку, чтобы измерительный прибор продолжал работать.

Области применения датчика с горячей проволокой

Вентиляционные каналы: Используйте датчик с горячей проволокой для надежного измерения скорости потока, температуры и влажности воздуха в вентиляционных каналах.
Поскольку диапазон измерения достигает +50 м / с, а общая длина зонда может быть увеличена до 2,0 м (удлинитель телескопа заказывается отдельно), измерения можно проводить даже в больших вентиляционных системах.

Анемометр с горячей проволокой — обзор

4.2.1.1 Анемометры и датчики

Принцип работы термоанемометра можно просто описать. Как известно, сенсор состоит из тонкой проволоки (обычно диаметром 2,5–5 мкм и 0.Длиной 5–1 мм) припаивается или приваривается между штырями и помещается в поток. Для сверхзвуковых потоков зубцы должны быть спроектированы так, чтобы минимизировать паразитные эффекты ударных волн, и, как описано в разделе 4.1.2, полоса пропускания системы должна быть особенно высокой по сравнению с низкоскоростными потоками. Постоянная времени теплопередачи HWA зависит от нескольких параметров: температуры провода (датчика), аэротермодинамических условий и рабочей электроники. Возможны три режима работы, которые могут повлиять на характеристики датчика:

Ток, проходящий через провод, поддерживается постоянным для анемометрии с постоянным током (CCA).Текущий уровень устанавливает температуру провода в потоке, и эта разница температур связана с коэффициентом перегрева, который является ключевым параметром для разрешения рабочего режима. Так как собственная частота провода довольно низкая, выходной сигнал необходимо усилить и тщательно обработать после обработки, чтобы расширить полосу пропускания. Это выполняется соответствующим электронным и / или числовым усилением сигнала, прошедшего фильтрацию верхних частот.

Температура провода поддерживается постоянной с помощью системы управления с обратной связью, а анемометр работает как анемометр с постоянной температурой (CTA).Необходимо использовать соответствующую электронику с замкнутым контуром с широкой полосой пропускания и отношением сигнал / шум. Полоса пропускания этого устройства лучше приспособлена к измерениям при высокой степени перегрева.

Напряжение провода поддерживается постоянным, и анемометр работает как анемометр постоянного напряжения (CVA). Этот метод был внедрен только недавно (Comte-Bellot & Sarma, 2001; Sarma, 1998). Электроника оптимально подходит для получения необходимой ширины полосы измерения.Это очень многообещающий метод со многими преимуществами, связанными с пропускной способностью и простотой использования.

Хотя методы CCA и CTA дополняют друг друга, похоже, что CTA, вероятно, проще в использовании (Bestion, Gaviglio, & Bonnet, 1983). Однако следует подчеркнуть, что отношение сигнал / шум является важным вопросом, который необходимо решать независимо от электронной схемы (рабочего режима). В сверхзвуковых пограничных слоях CTA (и CVA) могут иметь ширину полосы, хорошо подходящую для умеренных сверхзвуковых режимов, с типичными значениями до 300–500 кГц (Kegerise & Spina, 2000; Weiss et al., 2005).

Для каждого режима работы необходимо измерить и отрегулировать постоянную времени анемометра. Поскольку это будет сильно зависеть от термодинамических условий в месте расположения провода, регулировку труднее выполнить в сверхзвуковых потоках. Как и в дозвуковом режиме, часто используются тестовые электрические сигналы, которые состоят из синусоидального или прямоугольного сигнала, вводимого в схему, вызывающего неустойчивый нагрев провода. Однако этот нагрев не эквивалентен неустойчивому изменению теплопередачи в потоке, и, в частности, для высокочастотных характеристик электрическое испытание может быть неоднозначным.Прямой нагрев проволоки может быть выполнен с помощью соответствующего модулированного лазерного луча, сфокусированного на проволоке, помещенной в поток. Хотя эта процедура менее неоднозначна, ее сложнее настроить, но она использовалась в сверхзвуковых потоках (Bonnet & Alziary de Roquefort, 1980; Kegerise & Spina, 2000).

В сверхзвуковом режиме перед проволокой в ​​поступательном равновесии имеется оторвавшаяся скачка уплотнения конечной толщины. Определение толщины этого скачка δs непросто.Для случая слабого скачка уплотнения можно получить оценку характерной толщины в ламинарном случае (Thompson, 1988). Оценка низкого порядка толщины нормального скачка уплотнения получается из отношения скачка скорости через скачок уплотнения к оценке скорости изменения скорости. Наклон скорости можно оценить, рассматривая места, в которых скорость имеет дефект или превышение скорости вверх или вниз по потоку, соответственно. Это приводит к соотношению для ударного числа Кнудсена (Thompson, 1988)

(4.9) δsξ = 1Knδs = 34AsMu-1,

, где As зависит от величины выбранного дефекта скорости, а Mu — число Маха ударной волны (число Маха, вычисленное со скоростью вверх по потоку, перпендикулярной скачку, и скоростью звука вверх по потоку, у.е.). Например, дефицит / избыток 1% дает значение для As 9,19 с предельным значением As = 4 для максимального наклона. Тогда для нормального скачка уплотнения при M = 2 в воздухе толщину скачка можно оценить как от 3 до ≈7 раз больше длины свободного пробега с эквивалентными числами Кнудсена, равными 0.33 и ≈0,15. Для примера туннеля низкого давления (WT1) эта толщина составляет порядка 2 мкм, а в примере с аэродинамической трубой высокого давления (WT2), где толщина составляет ≈0,1 мкм, в зависимости от выбранного процентного дефицита / избытка.

Для турбулентного потока подходящей шкалой является шкала Колмогорова (Moin & Mahesh, 1998). Комбинируя уравнения. (4.7) и (4.9) отношение шкалы колмогоровской длины к толщине скачка может быть записано как

(4.10) ηδs≈1KnηMu-1As≃0.1Ret1 / 4Mu-1Mt,

, где γ = 1.4, и предполагается, что дефицит / избыток составляет 1%. В качестве альтернативы это выражение может быть записано в терминах числа Рейнольдса, связанного с микромасштабом Тейлора λ (Tennekes & Lumley, 1972)

(4.11) Reλ = ρui′2¯λμ = RetλL≈15Ret1 / 2,

, так что

(4,12) ηδs≈5,1 × 10-2Reλ1 / 2Mu-1Mt.

(Разница в числовых коэффициентах в уравнении (4.12) и в Мойне и Махеш (1998) может быть исправлена ​​путем включения множителя 2 / γπ в их вывод отношения η / δs.) Резкие изменения толщины скачка могут произойти при более высоких числах Маха и с другими газами. Для гелия при M∞ = 10 большая толщина оказалась δs∼O (5 мкм) (Spina & McGinley, 1994).

Измерения HWA происходят за этой ударной волной, и оценка расстояния между ударной волной и проводом может быть получена из данных, например, показанных на Рисунке 4.3. Для умеренного числа Маха 2, использованного в приведенных выше примерах пограничного слоя и слоя смешения, ударная волна обычно возникает при 0.6 диаметров проволоки перед проволокой. Это значение может изменяться от 0,3 для числа Маха 4 до 0,5 при приближении к околозвуковому режиму, причем чувствительность к числу Маха увеличивается с уменьшением числа Маха.

Рисунок 4.3. Типичный отрыв ударной волны перед разными телами в сверхзвуковых потоках. От Липманна и Рошко (1957) с разрешения.

Полезно определить соответствующий номер Кнудсена. Для определения длины свободного пробега необходимо выбрать условия перед отделившимся скачком уплотнения, а применимым масштабом длины является диаметр проволоки (при условии, что система, образованная проволокой и амортизирующей структурой, имеет порядок диаметра проволоки).Оценки средней длины свободного пробега, использованные ранее, снова являются действительными, так что, если считать, что термоэлектрическая проволока диаметром 2,5 мкм работает на скорости 2 Махов, числа Kn равны 0,2 и 0,01 для туннелей WT1 и WT2, соответственно. Это означает, что в туннеле высокого давления (WT2), вероятно, можно предположить континуум, но в туннеле низкого давления (WT1) условия находятся в пределах перехода к режиму скольжения-потока.

Еще одним ограничивающим фактором, возникающим при высокоскоростном потоке, является наличие околозвукового режима, ограниченного диапазоном числа Маха 0.8 <М <1,2. На рис. 4.3 наглядно показана чувствительность ударной системы при приближении к околозвуковому режиму. Этот режим присутствует в большинстве сдвиговых потоков, таких как слои смешения между сверхзвуковыми и дозвуковыми потоками, сверхзвуковые струи в неподвижном воздухе и пограничные слои в сверхзвуковых потоках. В этом режиме ударная система становится нестационарной, в зависимости от геометрии зонда, с высокой чувствительностью к конструкции зубцов. На месте необходимо провести тщательную калибровку, чтобы учесть поток вокруг зонда в этом случае (Barre, Dupont, & Dussauge, 1992; Dupont & Debiève, 1992).

Наконец, следует отметить, что помимо ограничений, накладываемых на датчики из-за динамики потока, существуют связанные проблемы, связанные с конструкцией зонда и провода (датчика), которые также необходимо упомянуть. Один из них — паразитные колебания провода из-за высоких динамических нагрузок на провод, которые могут вызывать паразитные эффекты, известные как «эффекты тензодатчика». К счастью, таких эффектов можно избежать, если ослабить провода. Другой фактор — это постоянно возрастающая потребность в измерении нескольких компонентов корреляции скорости или скорости-температуры.При этом используются наклонные или многопроволочные конструкции, при этом окончательное устройство для трансзвукового режима в ударной трубе, разработанной Бриассулисом, Агуи и Андреопулосом (2001) с 12 проводами. Это позволяет получить доступ к трем компонентам скорости, пространственным градиентам и завихренности. В сверхзвуковом режиме, однако, можно использовать меньше проводов, но возникают новые проблемы из-за ударного взаимодействия между зубцами и проводом, что требует тщательного проектирования и калибровки (Bonnet & Knani, 1988; Bowersox, 1996).

Датчик скорости с подогревом

Аэродинамики используют аэродинамические трубы тестировать модели предлагаемых деталей самолетов и двигателей. Во время теста модель помещается в тестовая секция туннеля, и воздух проходит мимо модели. Для определения сил используются различные типы приборов. на модели.

В некоторых испытаниях в аэродинамической трубе модель оснащена инструментами для обеспечения диагностическая информация о потоке воздуха вокруг модели.Диагностический прибор включает: отводы статического давления, грабли общего давления, лазерная доплеровская велосиметрия и Датчики скорости с нагревательной проволокой . Диагностический тест не дает общих характеристик самолета, но помогает инженер, чтобы лучше понять, как жидкость движется по модели. В зависимости от типа оборудования, используемого в эксперименте, Может быть получена информация о стационарном потоке или нестационарном, изменяющемся во времени потоке. На этой странице мы обсудим работу термоэлектрического датчика скорости .

Как следует из названия, термоэлектрический зонд — это не что иное, как очень тонкий провод, который вставляется в поток на конце зонда. Левая часть рисунка показывает два термоэлектрических щупа с сантиметровой линейкой для измерения масштаба. Диаметр проволоки примерно 10-4 см. Электричество подается на провод который выделяет тепло из-за сопротивления в проводе в соответствии с Закон Ома. Тепло отводится от зонда за счет поток воздуха и теплопередача пропорциональна скорости потока.Используя цепь обратной связи, либо температура зонда, либо ток через зонд можно держать постоянным. Измеренное напряжение в системе пропорциональна скорости на кончике зонда. После калибровки датчика для известной скорости датчик можно использовать для измерьте скорость на наконечнике зонда. Поскольку провод очень тонкий, реакция на изменение скорости происходит очень быстро (~ 50 кГц), и датчик можно использовать для измерения нестабильности, турбулентные потоки.

При использовании датчиков с термоэлементом следует учитывать несколько проблем. Зонд вставлен в поток, поэтому всегда есть опасения, что зонд изменит поток, который мы пытаемся измерить.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *