СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКОВ МАССОВОГО РАСХОДА ВОЗДУХА АВТОМОБИЛЕЙ

THE TEST BED FOR 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

Авторы подтверждают, что представленные данные не содержат конфликта интересов.

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 описан стенд для проведения испытаний и калибровки датчиков массового расхода воздуха автомобилей. В стенде обеспечи­вается одновременное измерение выходных сигналов проверяемого и эталонного датчиков, по полученной разности сигналов производится калибровка проверяемого датчика. Скорость и температура воздуха задаются при помощи компьютера с прикладным программным обеспечением. Описаны состав стенда и методика проведения испы­таний. Использование стенда позволяет сократить продолжительность калибровки и испытаний датчиков массового расхода воздуха.

ABSTRACT

The article describes a test bed for testing and calibration of air mass flow sensors for cars. The stand provides simultaneous measurement of tested sensor and reference sensor output signals, according to the received difference signal, the calibration of the tested sensor is performed. Air speed and temperature are setting by a computer with application software. The test bed composition and test procedure are described. Using of this test bed allow to reduce the duration of calibration and testing of air mass flow sensors.

Ключевые слова: датчик массового расхода воздуха; воздушный поток; калибровка; испытательный стенд; выходные сигналы; прог­раммное обеспечение.

Keywords: air mass flow sensor; air flow; calibration; test bed; output signals; software.

Государственным университетом «Дубна» совместно с ЗАО «МПОТК «ТЕХНОКОМПЛЕКТ» ведутся прикладные научные иссле­дования по разработке элементов отечественной компонентной базы в области измерительной и регулирующей аппаратуры для транспортных систем, в частности, датчиков массового расхода воздуха (ДМРВ). На первом этапе данных исследований была разработана оригинальная конструкция датчика массового расхода воздуха, в которой чувстви­тельный элемент выполнен в виде упругой лопасти с размещенными на ней тензорезисторами [1]. Воздушный поток, проходящий через датчик, приводит к отклонению лопасти и соответствующему изменению сопротивления тензорезисторов, которое затем с учетом температуры пересчитывается в массовый расход воздуха.

Были изготовлены десять экспериментальных образцов датчика, конструктивное исполнение которых предусматривает установку в легковые автомобили вместо штатных ДМРВ. В техническом задании на выполнение исследований заданы определенные требования к этим датчикам, в частности, рабочие диапазоны температур воздушного потока, расхода воздуха, давлений окружающей среды, требования по напряжению питания и току потребления, а также точности измерения расхода воздуха. Для того, чтобы экспериментально определить техничес­кие параметры изготовленных датчиков и проверить, соответствуют ли они требованиям технического задания в полном объеме, был сконструирован и изготовлен специальный стенд для испытаний и калибровки датчиков массового расхода воздуха автомобилей, внешний вид которого показан на рисунке 1.

Стенд имеет следующие технические характеристики:

• номинальное напряжение питания датчика – 12 В;
• диапазон рабочих напряжений питания датчика – от 7,5 до 16 В;
• выходной ток питания датчика – не менее 500 мА;
• диапазон температур воздушного потока – от минус 40 до +90 ºС;
• диапазон изменения расхода воздуха – от 8 до 550 кг/час;
• диапазон рабочих температур стенда – от нуля до +40 ºС.

Рисунок 1. Внешний вид стенда

Первое из указанных выше требований обеспечено подбором электронных компонентов на печатной плате датчика и соответ­ствующим выбором номинальных напряжений источников питания. Для выполнения последнего требования подбирались оборудование и контрольно-измерительная аппаратура, работоспособные в указанном диапазоне температур. Остальные требования учитывались при раз­работке стенда как часть общих технических характеристик, которые должен иметь датчик.

Основной функцией стенда является создание воздушного тракта, включающего исследуемый и эталонный датчики, в котором скорость и температура пропускаемого через датчики воздуха регулируется в заданных пределах. По отношению к воздушному потоку датчики вклю­чены последовательно и расположены на минимальном расстоянии один от другого, что обеспечивает одинаковый массовый расход воздуха через них. Кроме того, выходной сигнал разработанного датчика унифи­цирован с выходными сигналами существующих ДМРВ, а скорость и температура воздуха задаются при помощи компьютера с прикладным программным обеспечением. Все это обеспечивает возможность проведения быстрой и удобной калибровки датчика, в том числе в автоматическом режиме.

Стенд состоит из следующих функциональных блоков:

• источники питания;
• аэродинамическая система;
• блок задания температуры;
• блок измерений;
• персональный компьютер.

Оборудование стенда имеет небольшие габариты и массу, что позволяет разместить его на одном лабораторном столе с размерами столешницы 1400х675 мм. Аэродинамическая система, эталонный датчик и исследуемый датчик закрепляются на общем металлическом основа­нии, обеспечивающем жесткую фиксацию элементов при максимальных скоростях потока воздуха.

В ходе разработки выяснилось, что использовать один источник питания для всех электронных и электротехнических компонентов стенда невозможно из-за существенно различных требований по мощности и напряжению питания. Поэтому было принято решение использовать отдельные независимые источники: два типа NES-350-24 для двигателя вентилятора и нагревательного элемента, и один типа HY 1505 – для питания датчиков. Кроме того, в ряде экспериментов измерительный тензометрический мост запитывался от высокоточного источника питания Tektronix PWS2323. Остальные компоненты (персональный компьютер, ПИД-регулятор ТРМ210) имеют сетевые блоки питания, подключаемые к сети 220 В переменного тока.

Аэродинамическая система стенда включает в себя вентилятор K3G097-AK34-65 [2], который создает поток воздуха с требуемым напором и расходом, и совокупности гофрированных воздухоподводящих шлангов для соединения вентилятора с датчиками (калибруемым и эталонным). Такая конструкция дает возможность производить быструю замену одного исследуемого датчика на другой, а также варьировать число и последовательность включения датчиков в общий воздушный поток; за счет этого обеспечивается гибкость конфигурации стенда и удобство при проведении испытаний на нем.

Блок задания температуры включает в себя радиатор, через который прокачивается поток воздуха, в сочетании с охладителем-нагревателем, к которому для получения низких температур подсоединяется система охлаждения с жидким азотом, а для получения высоких температур обмотка нагревателя подключается к источнику питания. Также для поддержания температуры на заданном уровне в состав этого блока входит ПИД-регулятор ТРМ210 ОВЕН.

Блок измерений выполнен на основе измерительного преобразо­вателя напряжения E-502 L-Card [3], который принимает и обрабатывает сигналы, поступающие с калибруемого и эталонного датчика, и пере­сылает их в компьютер через USB-кабель.

Персональный компьютер, входящий в состав стенда, функ­ционирует под управлением операционной системы MS Windows 7. На нем установлено программное обеспечение преобразователя E-502 L-Card и программный пакет LabView, обеспечивающий наглядное представление информации в графическом виде, запись результатов измерений на жесткий диск компьютера с возможностью последующего анализа, а также автоматизацию проведения измерений.

В окне управления стендом, реализованном на LabView (рисунок 2), отображаются временные зависимости выходного сигнала с иссле­дуемого и эталонного датчиков (в качестве эталонного здесь используется ДМРВ Bosch), с возможностью разворота каждой из них на большем графике для удобства анализа. На этапе исследований также часто использовались максимальные и минимальные значения сигнала для каждого датчика в текущей сессии измерений и за все время работы программы (глобальные максимумы и минимумы), поэтому они для удобства были выведены в отдельные текстовые поля в правой части экрана. Шкала с регулируемым ползунком (сверху) позволяет достаточно плавно изменять мощность вентилятора, что в свою очередь обеспечивает изменение скорости воздушного потока и массового расхода воздуха через датчики. В случае возникновения непредвиденных ситуаций на стенде предусмотрена кнопка «Остановка двигателя», нажатие на которую снимает питание с вентилятора и вызывает прекращение подачи воздуха в аэродинамическую систему.

Рисунок 2. Окно управления стендом, реализованное на LabView

Методика калибровки датчиков массового расхода воздуха при помощи данного стенда кратко заключается в следующем. Прове­ряемый и эталонный датчики закрепляются на стенде и подключаются к блоку измерений. Далее через датчики пропускается поток воздуха от вентилятора, регулируемый с желаемым шагом (например, 10%) от минимального до максимального значения. После установки каждого уровня выжидается, пока воздушный поток стабилизируется на заданном уровне, и производится измерение сигналов проверяемого и эталонного датчиков. По полученной разности сигналов производится калибровка проверяемого датчика. Использование данной методики позволяет сократить продолжительность калибровки и испытаний датчиков массового расхода воздуха.

Список литературы:

1. Крюков Ю.А., Фурсаев Д.В., Иванов В.В., Цепилов Г.В. Датчик массового расхода и температуры воздуха. Заявка на полезную модель №2018110422/28(016176) (22) от 23.03.2018 г.
2. https://ru.mouser.com/ProductDetail/ebm-papst/K3G097-AK34-65?qs=%2fha2pyFaduh0hcmXulFhEDdvtKlgx%252bEpHVPwK52H54LkX6B5p7X1Qw%3d%3d.
3. http://www.lcard.ru/ldocs/E-502.