Термоанемометрический датчик расхода среды

 

Использование: в автомобильной электронике для систем электронного впрыска топлива. Сущность изобретения: датчик расхода содержит термочувствительный элемент, состоящий из терморезисторов - измерительного 5 и термокомпенсационного 6, выполненных из фольги на тонкой полиимидной пленке 8, предварительно натянутой и закрепленной между двумя идентичными металлическими подложками 9, 10. В зоне расположения терморезистора 5 в каждой подложке выполнена сквозная выемка 11 до рабочего торца 13 подложки, имеющая фаску 12 под углом более 45^o к прямой, перпендикулярной направлению потока среды. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) материала подложек близок к ТКЛР терморезисторов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к термоанемометрическим датчикам расхода воздуха и может быть использовано, например, в автомобильной электронике - в системах электронного впрыска топлива.

Известны термоанемометрические датчики расхода воздуха, содержащие термочувствительный элемент в виде ленты или проволоки, подвешенной по меньшей мере на трех узлах (патенты ФРГ N 2845662, 3003671, 3016923, G 01 F 1/68, фирма "BOSCH").

Их недостатками являются относительно невысокое быстродействие и нестабильность электрических характеристик вследствие провисания проволоки под воздействием циклических перегревов и механических нагрузок.

Известен также термоанемометрический датчик расхода воздуха, содержащий плоский пленочный термочувствительный элемент (патент США N 4936145, G 01 F 1/68), характеризующийся достаточно высокими статическими характеристиками в условиях сильных механических и температурных воздействий. Наличие жесткой подложки в термочувствительном элементе толщиной порядка 200 мкм обусловливает повышение тепловой постоянной измерительного терморезистора, что соответственно ограничивает быстродействие датчика.

Более высоким быстродействием обладает термоанемометрический датчик расхода с термочувствительным элементом, содержащим измерительный и компенсационный терморезисторы, расположенные на полимерной пленке, закрепленной с предварительным натяжением и тонкую подложку с отверстием, над которым расположен измерительный терморезистор (заявка ЕПВ (ЕР) N 0021291, G 01 F 1/68).

Основными недостатками этой конструкции являются: 1. Затрудненность попадания натекающего потока воздуха в выемку подложки (регистрируется экспериментально при толщине подложки даже 0,1 мм).

2. Отражения натекающего потока воздуха от переднего (рабочего) торца, подложки и от задней грани выемки, перпендикулярной направлению потока среды, дополнительно препятствующие попаданию основного потока воздуха в выемку подложки.

Эти обстоятельства приводят к пониженному обтеканию потоком воздуха измерительного терморезистора особенно при малых скоростях потока и вследствие этого к снижению чувствительности датчика при малых расходах.

Это искажает характеристику датчика, вносит дополнительную погрешность от толщины подложки и размера выемки.

Последнее из вышеупомянутых устройств является прототипом.

Техническим результатом, который обеспечивает предлагаемое изобретение, является устранение вышеуказанных недостатков, а именно, повышение чувствительности и снижение погрешности датчика.

Технический результат достигается тем, что термоанемометрический датчик расхода среды, содержащий термочувствительный элемент, включающий измерительный и компенсационный терморезисторы, размещенные на полиимидной пленке, закрепленной с предварительным натяжением, и расположенные на линии, перпендикулярной направлению потока среды, и подложку, снабжен второй подложкой, идентичной первой, а термочувствительный элемент закреплен между подложками, в каждой из которых, в зоне размещения измерительного терморезистора, выполненного с обеспечением возможности измерения в точке, со стороны рабочего торца образована выемка, имеющая фаску под углом более 45^o к прямой, перпендикулярной направлению потока, при этом температурный коэффициент линейного расширения материала подложек близок к температурному коэффициенту линейного расширения терморезисторов, а подложки выполнены из нержавеющей стали.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый термоанемометрический датчик расхода среды отличается от известного тем, что он снабжен второй подложкой, идентичной первой, а термочувствительный элемент закреплен между подложками, в каждой из которых, в зоне размещения измерительного терморезистора, выполненного с обеспечением возможности измерения в точке, со стороны рабочего торца образована выемка, имеющая фаску под углом более 45^o к прямой, перпендикулярной направлению потока, при этом температурный коэффициент линейного расширения материала подложек близок к температурному коэффициенту линейного расширения терморезисторов.

Кроме того, термоанемометрический датчик отличается тем, что подложки выполнены из нержавеющей стали.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них отличительных признаков, совпадающих с заявляемым решением, что позволяет сделать вывод о том, что изобретение имеет изобретательский уровень.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано при изготовлении датчиков в автомобильной электронике - в системах электронного впрыска топлива.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен пример реализации предлагаемого технического решения (в разрезе); на фиг.2 - термочувствительный элемент; на фиг. 3 - сечение по А - А термочувствительного элемента.

Термоанемометрический датчик (фиг.1) состоит из воздуховода 1 с вентуриобразной внутренней поверхностью (сопло Вентури), термочувствительного элемента 2, соединенного с электронной схемой формирования выходного сигнала, выполненной на плате 3, размещенной в корпусе 4. Термочувствительный элемент 2 (фиг.2, 3) состоит из блока терморезисторов - измерительного 5 и термокомпенсационного 6, выполненных из фольги 7 на тонкой (10-60 мкм) полиимидной пленке 8, предварительно натянутой и закрепленной между подложками 9, 10, причем в зоне расположения терморезистора 5 выполнена выемка 11 с фаской 12.

Принцип работы термоанемометрического датчика основан на следующем. При обтекании потоком воздуха нагреваемого измерительного терморезистора 5 происходит его охлаждение и связанное с этим изменение его сопротивления. Измерительный 5 и компенсационный 6 терморезисторы включены с двумя термонезависимыми резисторами по мостовой схеме (на чертежах это не показано), работающей в режиме постоянной температуры измерительного терморезистора 5.

Снимаемое с моста напряжение используется для электронного управления, током питания моста, осуществляемого с помощью соответствующих элементов схемы, размещенной на плате 3. Сигнал, характеризующий изменение тока в мосте, служит мерой количества протекающей среды.

Выполнение выемки 11 (фиг.2) сквозной до рабочего торца 13 подложки 9 предотвращает возникновение турбулентностей натекающего потока воздуха на ее торце. Так же фаска, выполненная под углом (фиг.2 разрез А-А) превышающим 45^o, определяет направление отраженного от задней грани выемки 11 потока в стороны от измерительного резистора 5.

Однако предотвращение возникновения турбулентностей, снижение влияния толщины подложки, качества ее обработки и размеров выемки, достигаемые описанной формой выемки должны основываться на обеспечении стабильности электрических характеристик термочувствительного элемента в целом. Расположение измерительного терморезистора 5 на тонкой полиимидной пленке 8 может привести к его провисанию при изменении температуры вследствие разности ТКЛР подложки 9 и фольги 7, что вносит дополнительную погрешность.

Симметричная конструкция (расположение блока терморезисторов между двумя идентичными подложками) предотвращает изгибные деформации термочувствительного элемента датчика вследствие температурных воздействий и провисание измерительного терморезистора при ТКЛР подложек достаточно близком к ТКЛР фольги.

Так как практически невозможно подобрать материал подложки с ТКЛР, одинаковым с ТКЛР фольги, то фольга предварительно натянута до скрепления (склеивания) с подложками. Это обеспечивает отсутствие провисания фольги как при положительной, так и при отрицательной разности ТКЛР подложек и фольги соответственно при понижении и повышении температуры.

Кроме того, предварительное натяжение фольги обеспечивает высокую плоскость поверхности измерительного терморезистора и соответственно высокую повторяемость его характеристик от образца к образцу.

Так как фольга имеет толщину порядка 3-5 мкм, а полиимидная пленка должна быть выполнена также максимально тонкой, чтобы обеспечить высокое быстродействие, конструкция измерительного терморезистора уязвима для сильных механических и температурных воздействий, поэтому немаловажным является минимизация размеров натянутой пленочно-фольговой структуры, что обеспечивается выполнением измерительного резистора круглым или прямоугольным с возможностью измерения в точке и, соответственно, минимизацией размеров выемки.

Расположение терморезисторов на линии, перпендикулярной направлению потока среды (ось О-О', фиг.2), обусловлено необходимостью устранения попадания нагретого воздуха от измерительного терморезистора на термокомпенсационный, или нежелательным увеличением ширины термочувствительного элемента в направлении потока.

Предлагаемые технические решения испытаны и в конструкции термоанемометрического датчика, в которой термочувствительный элемент расположен в байпасном канале, что не меняет описанных выше физических закономерностей и конструктивных решений.

Проведенные стендовые испытания, испытания датчиков в составе системы на автомобиле ВАЗ-2111 сравнительно с датчиками фирм "BOSCH" и "General Motors", соответственно, выявили, что по стабильности, температурной погрешности описанный датчик соответствует заданным требованиям, а по скорости реакции на изменение величины потока (быстродействие) превосходит зарубежные аналоги в 2 раза.

Формула изобретения

1. Термоанемометрический датчик расхода среды, содержащий термочувствительный элемент, включающий измерительный и компенсационный терморезисторы, размещенные на полиимидной пленке, закрепленной с предварительным натяжением, и расположенные на линии, перпендикулярной направлению потока среды, и подложку, отличающийся тем, что он снабжен второй подложкой, идентичной первой, а термочувствительный элемент закреплен между подложками, в каждой из которых, в зоне размещения измерительного терморезистора, выполненного с обеспечением возможности измерения в точке, со стороны рабочего торца образована выемка, имеющая фаску под углом более 45^o к прямой, перпендикулярной направлению потока, при этом температурный коэффициент линейного расширения материала подложек близок к температурному коэффициенту линейного расширения терморезисторов.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что подложки выполнены из нержавеющей стали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3