حساس تدفق الهواء: الدائرة، العمل، الأنواع، الأسلاك، الوصلات البينية وتطبيقاتها

هناك أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار المستخدمة في السيارات للتحكم بجميع عمليات السيارة وأيضاً للحماية من التلف مثل؛ MAP، طرق المحرك، موضع الخانق، عمود الحدبات الموقف وتدفق الهواء وسرعة المحرك والأكسجين والجهد وغيرها الكثير. من بينها، مستشعر تدفق الهواء هو أحد أنواع أجهزة استشعار السيارات. تم اختراع أول مستشعر لتدفق الهواء الشامل في عام 1996 بواسطة شركة DENSO. لذا فإن تطوراتهم المستمرة في تقنيات السيارات تقود الطريق لقطع غيار السيارات عالية المدى. يكتشف هذا المستشعر كمية الهواء المسحوب في محرك السيارة ويرسل إشارة إلى وحدة التحكم في المحرك (ECU). تتناول هذه المقالة نظرة عامة على مستشعر تدفق الهواء أو حساس MAF وعمله وتطبيقاته.

ما هو جهاز استشعار تدفق الهواء؟

مستشعر تدفق الهواء هو نوع من أجهزة استشعار السيارات المستخدمة لقياس سرعة تدفق الهواء عبر نظام مثل التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، ومحركات الاحتراق، وكذلك العمليات الصناعية. لذا فإن وحدة التحكم في المحرك (ECU) تقوم ببساطة بتقدير كمية كتلة الوقود المطلوبة للحفاظ على توازن الهواء والوقود اعتمادًا على المدخلات في الوقت الفعلي. الاسم البديل لمستشعر تدفق الهواء هو مستشعر MAF (تدفق الهواء الشامل)، أو MAF، أو مقياس الهواء الذي يغير كمية الهواء الداخل إلى محرك السيارة إلى إشارة جهد لقياس حملها. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تغيير كثافة الهواء بعوامل مختلفة مثل الضغط ودرجة الحرارة والرطوبة وغيرها الكثير.

مبدأ عمل مستشعر تدفق الهواء

يعمل مستشعر تدفق الهواء ببساطة عن طريق قياس التباين داخل مقاومة السلك الساخن وتحويله إلى إشارات كهربائية وتمريره إلى وحدة التحكم في المحرك (ECU). تُستخدم هذه الإشارة لتحديد كمية الوقود التي سيتم ضخها في المحرك.

يتضمن مستشعر تدفق الهواء سلكين مثل التسخين الكهربائي والسلك الآخر ليس كذلك. عندما يتم تسخين سلك رفيع من هذا المستشعر عند درجة حرارة ثابتة ويقع في مسار تدفق الهواء، فإنه يقوم بتبريده بطريقة تتناسب ببساطة مع سرعة تدفق الهواء.

عندما يختلف الفرق في درجة الحرارة بين أسلاك المستشعر، يقوم المستشعر تلقائيًا بزيادة أو تقليل تدفق التيار عبر السلك. بعد ذلك، ينتقل التيار إلى وحدة التحكم الإلكترونية ويتحول إلى جهد (أو) تردد لترجمته إلى تدفق هواء.

مخطط دائرة استشعار تدفق الهواء

بشكل عام، يعد اكتشاف تدفق الهواء مفيدًا جدًا في الدوائر المختلفة. لذلك تظهر أدناه دائرة استشعار تدفق الهواء البسيطة والتي تستخدم للكشف عن تدفق الهواء المتاح. لا تحتاج دائرة تدفق الهواء هذه إلى أي RTD (أو) ديود زينر لكن هذه الدائرة تستخدم فتيل لمبة تيار متردد بسيط يتضمن بعض المكونات للكشف عن الهواء. المكونات المطلوبة لصنع دائرة استشعار الهواء هذه تشمل بشكل رئيسي؛ LM358 IC ، LM7805، المقاومات يحب؛ 680 أوم، 100 أوم، 10 كيلو و330 أوم، مكثف 100 فائق التوهج، 50 كيلو مقاومة متغيرة ، ال اي دي، 12 فولت مزود الطاقة ، لمبة متوهجة، سلك توصيل معزز، زر ضغط، ومروحة تيار مستمر. قم بتوصيل هذه الدائرة حسب الدائرة الموضحة أدناه.

عمل

تظهر أدناه دائرة استشعار تدفق الهواء والتي تستخدم للكشف عن تدفق الهواء. تعمل هذه الدائرة بمصدر تيار مستمر 12 فولت. العنصر المهم المستخدم في هذه الدائرة هو فتيل المصباح لأنه مسؤول عن إحداث فرق في الجهد عند وجود الهواء. يحتوي خيوط اللمبة في هذه الدائرة على NTC (معامل درجة الحرارة السلبية)، وبالتالي فإن خيوطها مقاومة سوف يتغير عكسيا نحو درجة الحرارة. بمجرد ارتفاع درجة الحرارة، تكون مقاومة الخيوط منخفضة.

عندما لا يكون هناك هواء بشكل افتراضي، ستكون قيمة مقاومة فتيل المصباح منخفضة بسبب بعض الحرارة بداخله. عندما يتدفق الهواء منه، تنخفض درجة حرارة فتيل اللمبة وستزداد مقاومة الفتيل.

لذا، وبسبب هذا التغيير داخل المقاومة، يتم إنتاج اختلاف في الجهد عبر فتيل المصباح الذي يتم التقاطه بواسطة LM358 IC وينتج إشارة منخفضة. يتم توصيل IC في وضع المقارنة بحيث يقوم بمقارنة جهد الإدخال من خلال الجهد المرجعي ويوفر الإخراج وفقًا لذلك.
يتم استخدام مقياس الجهد في هذه الدائرة لمعايرة الدائرة قاد مفيد في الإشارة إلى تدفق الهواء، ويتم استخدام كل من زر الضغط ومروحة التيار المستمر لتدفق مصدر الهواء عبر الفتيل.

أنواع أجهزة استشعار تدفق الهواء

هناك أنواع مختلفة من أجهزة استشعار تدفق الهواء والتي سيتم مناقشتها أدناه.

مستشعر حجم تدفق الهواء

يتم استخدام مستشعر تدفق الهواء لقياس حجم التدفق ومراقبة الفلتر والضغط التفاضلي والكشف عن مستويات السائل. هذه الأنواع من أجهزة استشعار تدفق الهواء قابلة للتطبيق في الغرف الطبية والنظيفة وتكنولوجيا الترشيح داخل قنوات تكييف الهواء والتهوية وأكشاك الرش والمطابخ الصناعية بشكل رئيسي لمراقبة المرشحات وقياس المستوى أو للتحكم في محولات التردد.

مستشعر MAF

يُعرف مستشعر MAF أيضًا بمستشعر تدفق الهواء الشامل والذي يستخدم في السيارات للكشف عن معدل التدفق الشامل للهواء الذي يمر عبر محرك السيارة بالإضافة إلى كمية حقن الوقود.
بالنسبة لوحدة التحكم في محرك السيارة، تكون بيانات كتلة الهواء مطلوبة لتحقيق التوازن وتوصيل كتلة الوقود الدقيقة نحو المحرك. سوف يغير الهواء كثافته من خلال الضغط وكذلك درجة الحرارة. ستتغير كثافة الهواء داخل تطبيقات السيارات، مع الارتفاع ودرجة الحرارة المحيطة واستخدام الحث القسري، لذا فإن هذه المستشعرات أكثر ملاءمة مقارنةً بأجهزة استشعار التدفق الحجمي لتحديد كمية الهواء الداخل في كل أسطوانة.

مستشعر تدفق الهواء الشامل من نوع الريشة

يُعرف المستشعر الذي يحتوي على ريشة مُقاسة تقع على طول اتجاه الهواء المتدفق كنوع من أجهزة استشعار تدفق الهواء الشامل. يستخدم هذا النوع من أجهزة استشعار تدفق الهواء لقياس كمية الهواء التي تمر عبرها.

يتم توصيل الريشة الموجودة في هذا المستشعر ببساطة بزنبرك ويتم ترتيبها في وضع الراحة. ولكن عندما يبدأ الهواء بالتدفق، سيتم نقل الريشة تحت ضغط الزنبرك. لذلك يمكن تغيير هذا الانحراف إلى إشارة الجهد باستخدام مقياس الجهد. بعد ذلك، يتم استخدامه لتحديد سرعة تدفق الهواء.

مستشعر تدفق الهواء بالسلك الساخن

يُستخدم هذا النوع من مستشعرات تدفق الهواء في العديد من المركبات الحديثة لقياس كتلة الهواء الداخلة إلى المحرك. يلعب هذا المستشعر دورًا رئيسيًا في إدارة المحرك وتحسينه من خلال توفير المعلومات ببساطة إلى وحدة التحكم في المحرك (ECU) لضبط خليط الهواء والوقود من أجل احتراق فعال للغاية.

وتتمثل المهمة الرئيسية لهذا المستشعر في قياس حجم الهواء الوارد وكذلك كثافته. لذا فإن هذه البيانات مهمة بشكل أساسي لوحدة التحكم في المحرك لتحديد كمية الوقود التي سيتم ضخها في غرف الاحتراق للحفاظ على نسبة الهواء إلى الوقود الصحيحة

تعتمد كثافة الهواء بشكل أساسي على الارتفاع ودرجة الحرارة وتطبيق الحث القسري. تعد هذه المستشعرات أكثر فائدة ومناسبة لتحديد كمية سحب الهواء في كل أسطوانة مقارنة بأجهزة الاستشعار من نوع التدفق الحجمي.

مخطط الأسلاك استشعار تدفق الهواء

يظهر أدناه مخطط الأسلاك لمستشعر تدفق الهواء (مستشعر تدفق الهواء الشامل) والذي تم تصميمه بناءً على البناء والسنة والنوع والطلب والطراز. تتوفر مخططات الأسلاك هذه في أربعة أشكال: 3 أسلاك، 4 أسلاك، و5 أسلاك. لذلك، نحن هنا نقوم بتوصيل مستشعر تدفق الهواء بأربعة أسلاك وهو ما تم شرحه في القسم أدناه.

يحتوي مخطط أسلاك مستشعر تدفق الهواء المكون من 4 أسلاك على مصدر طاقة إيجابي 12 فولت (سلك ساخن)، وإشارة IAT (إشارة درجة حرارة هواء السحب)، وإشارة MAF وMAF GND.

يتم توصيل مصدر طاقة إيجابي بجهد 12 فولت (سلك ساخن) بمصهر ومرحل داخل صندوق المصهر. بعد ذلك، يمكن توصيل سلك إشارة تدفق الهواء الشامل بوحدة التحكم الإلكترونية في السيارة. يقوم سلك الإشارة هذا ببساطة بنقل إشارة المستشعر إلى وحدة التحكم الإلكترونية. يمكن استخدام السلك الأرضي لمستشعر MAF كوصلة GND مشتركة لكل من وحدة التحكم الإلكترونية ومستشعر السيارة.

يمكن تصميم دائرة الإشارة لمستشعر تدفق الهواء في مستشعر MAF لقياس كمية التيار المتدفق عبر المستشعر وتغيير مصدر التيار هذا إلى جهد. بعد ذلك، يقوم بإرسالها إلى وحدة التحكم الإلكترونية في السيارة عبر كابل إشارة MAF. لذلك يتم تأريض دائرة الإشارة هذه بشكل منفصل. بالإضافة إلى ذلك، يشتمل المستشعر على مستشعر IAT متكامل، والذي يوفر إشارة IAT لملاحظة إشارة درجة حرارة الهواء الداخل.

واجهة حساس تدفق الهواء مع الاردوينو

مستشعر تدفق الهواء (مستشعر مقياس شدة الريح) هو مستشعر منخفض التكلفة متوافق مع Arduino. يُطلق على هذا المستشعر أيضًا اسم مستشعر الرياح Rev. p والذي يحتوي على تعويض الأجهزة بشكل أساسي لدرجة الحرارة المحيطة ويرمز إلى الثرمستورات PTC. يُستخدم مستشعر تدفق الهواء هذا للكشف عن عواصف قوة الإعصار باستثناء التشبع والتي تتراوح سرعتها من 0 إلى 150 ميلاً في الساعة. إنه يوفر جهدًا حسيًا للإخراج يصل إلى 3.3 فولت وهو الأكثر ملاءمة لجميع نطاقات لوحات تطوير الاردوينو والمتحكمات الدقيقة.

يعمل هذا المستشعر ببساطة عن طريق الطريقة المعتمدة على مقياس شدة الريح الحراري أو طريقة السلك الساخن التي توفر الإحساس من خلال تسخين عنصر بالإضافة إلى تباين الطاقة اللازم للحفاظ على حرارة عنصر الحرارة طوال تدفق الرياح. كلما زاد تدفق الهواء، فجأة يفقد عنصر التسخين الحرارة ويحتاج إلى المزيد من الطاقة للحفاظ على الدفء. عندما لا تكون هناك رياح، يظل عنصر التسخين ثابتًا. وبالتالي فهو يقيس ويرسم أيضًا الاختلاف بين التيار والطاقة المتدفقة عبر عنصر التسخين.

المواصفات الفنية لهذا المستشعر تشمل بشكل أساسي؛

• يتراوح جهدها من 4 إلى 5 فولت.
• يتراوح إمدادها الحالي من 20 إلى 40 مللي أمبير.
• وتتراوح سرعة الرياح فيها من 0 إلى 60 ميلاً في الساعة.

دبوس الوصف:

ال تكوين دبوس جهاز استشعار تدفق الهواء (أو) يتوفر مستشعر الرياح في إصدار Rev. P بتكوين 5 سنون كما هو موضح أدناه.

• يتم استخدام دبوس GND للاتصال GND المشترك للدائرة.
• دبوس V+ هو طرف جهد الإدخال للمستشعر وهو متصل بـ Arduino.
• OUT أو Ao pin هي إشارة o/p التناظرية لمستشعر الهواء والتي تستخدم لتحديد مجموع إمدادات التيار المتدفق في جميع أنحاء مستشعر الهواء.
• يوفر طرف TMP خرج درجة الحرارة وهو عبارة عن مقسم جهد بسيط من خلال الثرمستور بالإضافة إلى المقاوم. يكون خرج هذا الدبوس مرتفعًا عند درجات الحرارة المنخفضة وينخفض ​​عند درجات الحرارة المرتفعة.
• دبوس RV هو الجهد المرجعي المستخدم للإخراج المُعاير. لا ينخفض ​​هذا الدبوس الجهد عن 1.8 فولت حتى في درجة حرارة الغرفة. لا يمكن أن يتأثر هذا الجهد بمقياس جهد المعايرة.

اتصالات هذه الواجهة تتبع على النحو التالي:

• قم بتوصيل دبوس GND الخاص بهذا المستشعر بمنفذ GND الخاص بـ Arduino.
• يتم توصيل دبوس V + الخاص بالمستشعر بدبوس Vin في Arduino.
• يتم توصيل دبابيس OUT الخاصة بالمستشعر بدبوس Ao الخاص بـ Arduino.
• يتم توصيل طرف TMP الخاص بالمستشعر بمنفذ A2 في Arduino.
• دبوس RV الخاص بالمستشعر غير متصل.

شفرة

يتضمن كود Arduino المطلوب لهذه الواجهة ما يلي.

const int OutPin = A0; // دبوس تناظري لمستشعر الرياح متصل بدبوس 'OUT' لمستشعر الرياح P
const int TempPin = A2; // دبوس تناظري لمستشعر درجة الحرارة متصل بدبوس مستشعر Wind P 'TMP'.
الإعداد باطل() {
Serial.begin(9600);
}
حلقة فارغة() {
// قراءة الريح
intwindADunits =analogRead(OutPin);
// Serial.print('RW'); // طباعة A/D الخام لتصحيح الأخطاء
// Serial.print(windADunits);
// Serial.print('\t');
// صيغة الرياح مستمدة من بيانات نفق الرياح ومقياس شدة الريح وبعض انحدارات Excel الرائعة
// لا يحتوي هذا المقياس على أي تصحيح لدرجة الحرارة حتى الآن
تعويم الرياح ميلا في الساعة = الأسرى(((تعويم)windADunits - 264.0) / 85.6814)، 3.36814)؛
Serial.print(windMPH);
Serial.print('MPH\t');
// روتين مؤقت وطباعة خام ودرجة حرارة C
int tempRawAD =analogRead(TempPin);
// Serial.print('RT'); // طباعة A/D الخام لتصحيح الأخطاء
// Serial.print(tempRawAD);
// Serial.print('\t');
// قم بالتحويل إلى فولت ثم استخدم الصيغة من ورقة البيانات
// Vout = ( TempC * .0195 ) + .400
// tempC = (Vout - V0c) / TC راجع ورقة بيانات MCP9701 لـ V0c وTC
float tempC = ((((float)tempRawAD * 5.0) / 1024.0) – 0.400) / .0195؛
Serial.print(tempC);
Serial.println('C');
تأخير (750)؛
}

يتم تشغيل لوحة Arduino بجهد 9 فولت مع لوحة طاقة خارجية ويتم تشغيل المستشعر من دبوس Vin الخاص بلوحة Arduino. قم بتحميل الكود أعلاه إلى Arduino وراقب جهد التشغيل التناظري والتغيرات في درجة الحرارة على دبوس OUT ودبوس TMP لمستشعر تدفق الهواء لاكتشاف سرعة الرياح.
إن إخراج المستشعر التناظري لوغاريتمي لذا يلتقط المستشعر ويراقب تدفق الهواء القليل للغاية عند النطاقات المنخفضة على الرغم من أنه لن يشبع بكامل طاقته حتى يصل تدفق الهواء إلى حوالي 60 ميلاً في الساعة.

تتناسب إشارة الجهد التي يتم الحصول عليها من الدبوس التناظري (Ao pin) للمستشعر بشكل مباشر مع سرعة الرياح. يشبه المبدأ الأساسي لمستشعر الهواء تقنية الأسلاك الساخنة التقليدية. لذا فإن هذه التقنية رائعة للرياح المنخفضة إلى المتوسطة السرعة وهذه الطريقة مناسبة لقياس اتجاه تدفق الهواء الداخلي.

إيجابيات - سلبيات

ال مزايا أجهزة استشعار تدفق الهواء تشمل ما يلي.

• تركيب مستشعر تدفق الهواء بسيط جدًا.
• هذه ليست باهظة الثمن.
• يقيس هذا المستشعر الضغط الكامل وضغط تدفق الهواء الثابت ومتوسط ​​سرعة الهواء.
• يمكن الحصول على المزيد من خيارات التصميم.
• تعتبر صيانة هذه المستشعرات أسهل بسبب عدم وجود أجزاء متحركة.
• هذا هو النوع الأكثر شيوعًا من أجهزة الاستشعار المستخدمة في قياس تدفق الهواء.

ال عيوب أجهزة استشعار تدفق الهواء تشمل ما يلي.

• يمكن أن يتأثر هذا المستشعر بشوائب الغاز وحساسية الاهتزاز عند تركيبه بشكل غير صحيح.
• هذه غالية الثمن مقارنة بأجهزة الاستشعار الأخرى.
• لقد قلل من كمية الهواء وكذلك الأداء.
• تحتاج هذه المستشعرات إلى المعايرة.
• تتلوث أجهزة استشعار تدفق الهواء بسهولة، مما يؤدي إلى فشلها وعطلها.
• يسبب هذا المستشعر مشاكل مختلفة مثل فقدان الطاقة، والتردد الخفيف إلى الشديد، وعدم الاقتصار على التباطؤ الخام، وضعف الاقتصاد في استهلاك الوقود، وما إلى ذلك.
• يتسبب مستشعر تدفق الهواء السيئ في مواجهة سيارتك لمشاكل ضعف القدرة على القيادة مثل توقف المحرك أو التردد أو الرجيج أثناء التسارع.

التطبيقات/الاستخدامات

تشمل تطبيقات أجهزة استشعار تدفق الهواء ما يلي.

• يستخدم مستشعر تدفق الهواء لقياس سرعة تدفق الهواء والتحكم فيها أيضًا داخل أنظمة التهوية ومكيفات الهواء.
• يساعد هذا المستشعر في تحليل سرعة تدفق الهواء داخل محركات الاحتراق التي تعمل بحقن الوقود.
• يتم استخدامه في تطبيقات السيارات والصناعية والتجارية.
• توجد هذه المستشعرات بشكل متكرر داخل معدات الكيمياء التحليلية.
• يستخدم مستشعر تدفق الهواء في كروماتوغرافيا الغاز لتحديد المركبات التي لم يتم تحديدها.
• تُستخدم هذه المستشعرات في الأجهزة الطبية والمصانع الكيميائية والاختبارات والتطبيقات التحليلية.
• يُستخدم هذا المستشعر لتتبع بيانات سرعة التدفق لكل من إجراء حقن العينة في الجهاز وسرعات التدفق عبر أعمدة الفصل.
• تطبيق مستشعر تدفق الهواء هو تحليل سرعة التدفق الشامل للهواء في محركات الاحتراق المحقونة بالوقود.
• تنطبق هذه المواصفة على أجهزة تحليل الغاز، وأجهزة التهوية، ومكثفات الأكسجين، وأجهزة اختبار الكثافة، وأجهزة قياس عينات جودة الهواء.
• يتم استخدام مستشعر MAF داخل محركات السيارات للمساعدة في التحكم في كفاءة الاحتراق.
• يخبر المستشعر كمبيوتر المحرك إذا كانت السيارة في الجزء السفلي من الغلاف الجوي أو في أعلى قمة جبل (أو بينهما) حيث يوجد كمية أقل من الأكسجين.
• يتيح هذا المستشعر التحكم الفعال والدقيق في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).
• يستخدم هذا المستشعر في أنظمة التهوية لمراقبة دورة التنفس للمرضى.

هكذا هذا نظرة عامة على جهاز استشعار تدفق الهواء عملها، الدوائر، أنواعها، الأسلاك، الواجهات، وتطبيقاتها. تعد أجهزة استشعار تدفق الهواء مناسبة لقياس ومراقبة إمدادات الهواء داخل أنظمة التهوية وأجهزة التكييف. من السهل جدًا تركيب هذه المستشعرات وقياس الضغط بالكامل وضغط تدفق الهواء الثابت ومتوسط ​​سرعة الهواء. إليكم سؤال ما هو حساس التدفق؟