ИСПЫТАНИЯ И КАЛИБРОВКА ДАТЧИКОВ МАССОВОГО РАСХОДА ВОЗДУХА АВТОМОБИЛЕЙ

TESTING AND CALIBRATION OF AIR MASS FLOW SENSORS FOR CARS

Yuri Kryukov

Cand. of phys.-math. sc., Vice-Rector for Scientific and Innovation Activity of State University "Dubna"

State University "Dubna",

Russia, Dubna

Maxim Mikheev

Leading engineer of informatization department of State University "Dubna" State University "Dubna",

Russia, Dubna

Valery Ivanov

Cand. of phys.-math. sc., Vice-Director for Science and Innovation CJSC "TECHNOKOMPLEKT",

Russia, Dubna

Oleg Naumov

Cand. of tech. sc., Leading Engineer CJSC "TECHNOKOMPLEKT",

Russia, Dubna

Статья подготовлена в рамках выполнения прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (ПНИЭР) по Согла­шению о предоставлении субсидии № 14.607.21.0174 при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI60717X0174.

АННОТАЦИЯ

В статье описаны результаты испытаний и калибровки датчиков массового расхода воздуха. Испытания производились на специальном стенде, позволяющем автоматически изменять расход воздуха и его температуру в заданном диапазоне. Сопоставление показаний эталонного и проверяемого датчика дает возможность вычислить нормировочную кривую, которая аппроксимируется полиномом. При калибровке коэф­фициенты данного полинома записываются в память микроконтроллера проверяемого датчика. Результаты калибровки показывают, что пред­ложенная методика обеспечивает практическое совпадение выходных сигналов эталонного и проверяемого датчиков.

ABSTRACT

In this article, results of testing and calibration of air mass flow sensors are described. Tests were done with a special stand that allows changing the air flow and temperature in a given range automatically. Comparison of the reference and test sensor data makes it possible to calculate the normalization curve, which is approximated by a polynomial. During calibration, coefficients of this polynomial are recorded into the memory of tested sensor microcontroller. The calibration results show that the proposed method provides a practical coincidence of the reference and test sensor output signals.

Ключевые слова: датчик массового расхода воздуха; термоане­мометр; выходной сигнал; нормировочная кривая.

Keywords: air mass flow sensor; thermoanemometer; output signal; normalization curve.

В данной статье описываются результаты испытаний и калибровки датчиков массового расхода воздуха (далее ДМРВ), сконструированных и изготовленных в рамках выполнения прикладных научных иссле­дований по разработке элементов отечественной компонентной базы в области измерительной и регулирующей аппаратуры для транспортных систем. В основу датчиков положено оригинальное конструкторское решение чувствительного элемента, представляющего собой лопасть из упругого материала с размещенными на ней тензорезисторами; массовый расход воздуха вычисляется по величине изменения сопро­тивления тензорезисторов, которое обусловлено отклонением лопасти проходящим через датчик воздушным потоком.

Испытания изготовленных датчиков производились для экспери­ментального определения их технических характеристик и проверки соответствия этих характеристик требованиям технического задания на выполнение прикладных научных исследований. Вместе с тем, используя эталонный датчик массового расхода воздуха, производилось сопоставление показаний разработанных датчиков с показаниями эталонного ДМРВ и их калибровка.

Блок измерений и персональный компьютер, входящие в состав стенда, обеспечивают снятие показаний с обоих ДМРВ и их обработку с выводом информации через графический интерфейс, реализованный при помощи программного пакета LabView.

Калибровка эталонного датчика.

Калибровка покупного термоанемометрического расходомера воздуха типа Bosch HFM5 (рис. 1), принимаемого в дальнейшем в качестве эталонного, производится на стенде с помощью приборов метрологического класса: термоанемометра ТТМ-2-02 [1] и цифрового манометра атмосферного давления типа Keller LEX 1 [2].

Рисунок 1. Датчик массового расхода воздуха типа Bosch HFM5

Зависимость выходного сигнала эталонного датчика от массового расхода воздуха измеряется в диапазоне от 8 до 550 кг/час, при темпе­ратурах от минус 40 до +90 ºС. При этом массовый расход (в кг/час) вычисляется по формуле:

G = ρ·S₀·w·3600,

где:   S₀ – площадь живого сечения потока, м²;

w – средняя скорость потока, измеренная термоанемометром ТТМ-2-02, м/с;

ρ – массовая плотность воздуха, кгс·с²/м⁴.

При изменении давления и температуры изменяется плотность воздуха. Массовая плотность воздуха непосредственно не измеряется, а определяется по формуле:

ρ = 0,0473·В/Т,

где:   В – барометрическое давление, измеренное манометром атмосферного давления Keller LEX, мм рт. ст.;

Т – температура воздуха, измеренная термоанемометром ТТМ-2-02, К.

Характеристические кривые зависимости выходного напряжения эталонного датчика от массового расхода и температуры воздуха приведены на рисунке 2.

Рисунок 2. Характеристические кривые эталонного ДМРВ

Из рисунка 2 видно, что выходное напряжение эталонного датчика практически не зависит от температуры воздуха.

Калибровка испытуемого датчика по эталонному.

Для калибровки проверяемого ДМРВ на стенд устанавливаются оба датчика. Сигнал с испытуемого датчика снимается непосредственно с измерительного моста Уинстона. Как и в предыдущем случае, расход и температура воздуха изменялись дискретно, в каждой точке после окончания переходных процессов снимались показания эталонного и испытуемого датчиков. На рис. 3 приведены снятые для температур минус 25 ºС и +25 ºС характеристические кривые испытуемого датчика.

Рисунок 3. Характеристические кривые проверяемого ДМРВ

После прогона датчиков во всем диапазоне расхода воздуха и температуры составляются массивы данных эталонного и испытуемого ДМРВ и осуществляется обработка результатов измерений. Для каждого значения массового расхода воздуха вычисляется нормировочный коэф­фициент как отношение показаний испытуемого ДМРВ и эталонного ДМРВ. Полученная совокупность точек аппроксимируется полиномом перехода к масштабу эталона, в результате чего получаем нормировоч­ную кривую. Это дает возможность получать калиброванные показания проверяемого ДМРВ для любого произвольного значения расхода воздуха, а не только тех значений, которые были установлены в ходе испытаний. По полученной нормировочной кривой генерируется выходной сигнал ДМРВ. На рисунке 4 в качестве примера приведены зависимости выходного сигнала эталонного ДМРВ и проверяемого ДМРВ для температуры +25 ºС. Как видно из рисунка, величина выходного сигнала проверяемого датчика после описанной процедуры калибровки практически совпадает с величиной эталонного датчика. Коэффициенты полинома записываются в память микроконтроллера датчика. Указанные действия выполняются для каждого значения температуры воздуха.

Рисунок 4. Зависимости выходного сигнала от расхода для эталонного и проверяемого ДМРВ

Таким образом технический результат описанного способа заклю­чается в сокращении продолжительности калибровки и испытаний, повышении достоверности оценки технического состояния проверяемых датчиков.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы подтверждают, что представленные данные не содержат конфликта интересов.

Список литературы:

1. http://www.electronpribor.ru/files/products/ttm-2-01-02-1.pdf.
2. http://www.keller-druck.com/home_e/paprod_e/lex1_e.asp.