SENSOR DE FLUJO DE MASA DE AIRE O MAF
El sensor de flujo de masa de aire o MAF, por sus siglas en inglés “Mass Air Flow”, detecta la cantidad de aire que circula a través del mismo, luego el valor del flujo de masa de aire medido por el sensor se traduce en una señal analógica, la cual es recibida por la placa de desarrollo Arduino MEGA 2560, a través de sus pines de entrada analógicos. De esta manera, haciendo uso del software Arduino, se aplica una función para convertir el valor en voltaje (señal analógica de salida del MAF) a un valor con decimales, para luego calcular el valor del caudal de flujo de masa de aire expresado en m3.
El sensor de flujo de masa de aire se caracteriza por presentar una estructura robusta, la cual reduce la exposición de los sensores de flujo de masa de aire como el de temperatura ambiente a partículas de polvo y otras suciedades, disminuyendo así la contaminación de los sensores, y mejorando la exactitud de detección y extendiendo la vida útil del sensor.
Los sensores que miden una cantidad o, en general, un flujo gaseoso se llaman también “anemómetros” o “caudalímetros”.
Un sensor MAF está compuesto principalmente por un termistor (Figura 6.21.) , una resistencia térmica en forma de un fino alambre o una película, en ambos casos de platino, también conocidos como “hilo caliente” o “membrana caliente” respectivamente, y una unidad de control electrónica.
Figura 6. 21. Circuito electrónico de la resistencia térmica del sensor MAF.133
El termistor mide la temperatura del aire que circula a través del sensor MAF (Figura 6.22.). El cable de platino es mantenido a una temperatura constante en relación a la temperatura del termistor, el cual es realizado por el circuito de control electrónico. Un incremento en el flujo de aire ocasionará que el cable caliente de platino pierda calor con lo que disminuiría su temperatura, de esta manera, el circuito de control electrónico dentro del sensor compensará esa pérdida de calor del cable al enviar más corriente eléctrica a través del cable para mantenerlo caliente.
133Imagen extraída del Suplemento del Manual de Toyota Corolla 1129E. TOYOTA MOTOR CORPORATION. Agosto 2, 2004. Aplica a los modelos: Series NDE 120. Capítulo 5, página 55.
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Figura 6. 22. Ubicación de la resistencia térmica del sensor MAF. 134
El circuito de control electrónico mide el flujo de corriente con lo que envía una señal de voltaje en proporción al flujo de corriente eléctrica, es decir, entre mayor sea la cantidad de aire que fluye por el sensor MAF, el cable caliente se enfriara con mayor rapidez, en consecuencia el circuito de control electrónico aumentará la corriente eléctrica para calentar más el cable de platino y justo cuando ese suceda, el mismo circuito de control electrónico se encargará de enviarle al software Arduino una señal electrónica de incremento de voltaje; entre más aire circule por el sensor MAF mayor será la señal de voltaje hacia el software Arduino.
El sensor MAF incluye en su cuerpo un sensor de temperatura de aire o sensor IAT, como parte de su carcasa. El sensor IAT está conectado al circuito de control electrónico mediante un cable y una terminal, y se utiliza para detectar la temperatura promedio del aire del ambiente.
Asimismo, para verificar el correcto funcionamiento del sensor MAF se lleva a cabo el siguiente procedimiento: (Figura 6.23.)
1- El sensor MAF se alimenta con una fuente de alimentación de 10V a 12V, voltaje que se aplica a las terminales 1 y 2 del sensor.
2- Se utiliza un multímetro para medir el voltaje entre las terminales 2 y 3 del sensor, para ello se coloca la pinza positiva del multímetro en la terminal 3 del sensor, mientras que la pinza negativa va conectada al terminal 2 del mismo. 3- Se hace circular aire a través del sensor de flujo de masa de aire, y se observa
la variación en los valores de voltaje en función de que aumente o disminuya el flujo de masa de aire.
134 Imagen extraída del Suplemento del Manual de Toyota Corolla 1129E. TOYOTA MOTOR CORPORATION. Agosto 2, 2004. Aplica a los modelos: Series NDE 120. Capítulo 5, página 55.
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Figura 6. 23 . Inspección del sensor de flujo de masa de aire con un multímetro.135
En lo que respecta al sensor de temperatura IAT, también se realiza la inspección del funcionamiento del mismo: (Figura 6.24.)
Para verificar que el sensor funciona correctamente se utiliza un multímetro en modo óhmetro, y se mide el valor de la resistencia entre los terminales 4 y 5 del sensor MAF. Es necesario verificar que el valor resistivo incremente con la disminución de la temperatura del flujo de masa de aire que circula por sensor MAF.
Figura 6. 24 .Inspección del sensor IAT con un multímetro.136
SENSOR DE TEMPERATURA IAT
Existen diferentes sensores de temperatura que efectúan diversas mediciones, sin embargo, todos operan de igual forma (Figura 6.25.). La salida del sensor de temperatura
135 Imagen extraída del Suplemento del Manual de Toyota Corolla 1129E. TOYOTA MOTOR
CORPORATION. Agosto 2, 2004. Aplica a los modelos: Series NDE 120. Capítulo 5, página 62. 136 Imagen extraída del Suplemento del Manual de Toyota Corolla 1129E. TOYOTA MOTOR
110 es una señal de voltaje, la cual, mediante una función determinada, se relaciona con temperatura del flujo del aire ambiente que circula por el sensor.
Figura 6. 25. Circuito electrónico del sensor de temperatura IAT. 137
Se observa que la señal de tensión del sensor disminuye a medida que la temperatura del aire ambiente aumenta. (Figura 6.26.)
El sensor de temperatura se conecta en serie a una resistencia de valor fijo. Luego, una fuente de alimentación externa, es decir la placa de desarrollo Arduino es quien suministra 5 voltios para el circuito y mide la variación de voltaje entre la resistencia de valor fijo y el sensor de temperatura.
Cuando el sensor está frio, la resistencia del sensor, como la señal de tensión son elevadas. A medida que el sensor se calienta, la resistencia disminuye, por ende disminuye la tensión de la señal. La señal de tensión a la salida del sensor se convierte en una señal de entrada analógica a la placa de desarrollo Arduino MEGA 2560, y haciendo uso del software Arduino es posible determinar la temperatura del flujo de masa de aire que está circulando por la sección donde se encuentra el sensor MAF. Por otro lado, el cable a tierra de los sensores de temperatura está siempre conectado a la placa de desarrollo Arduino. Estos sensores se clasifican como termistores.
137 Imagen extraída de la página web encendidoelectronico.com. Recuperado de
https://encendidoelectronico.com/sensores-temperatura/sensores-temperatura-parte-1/
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Figura 6. 26. Características de un gráfico de referencia del sensor IAT138
SEÑAL ANALÓGICA DEL SENSOR MAF
Una señal analógica es una magnitud que puede tomar cualquier valor dentro de un intervalo –Vcc y + Vcc. Por ejemplo, una señal analógica de tensión entre 0V y 5V podría valer 2,72V, o cualquier otro valor con cualquier número de decimales.
Por norma general en los autómatas las entradas analógicas son más escasas, más lentas y más caras que las entradas digitales. En el caso de Arduino MEGA dispone de 16 entradas analógicas.
Una entrada analógica proporciona una medición codificada en forma de un valor digital con un número N de bits.
Luego, la precisión de una entrada analógica radica en la comprensión del funcionamiento de un conversor analógico digital (ADC), que es su componente fundamental. Un ADC es un dispositivo que convierte una medición analógica en una medición digital codificada con un número de N. Asimismo, el valor analógico medido
En el caso de Arduino Mega, las entradas analógicas disponen de 10 bits de resolución, lo que proporciona 1024 niveles digitales, lo que a 5V supone una precisión de la medición de ± 2,44mV.
De esta manera, en un conversor analógico digital de 10 bit tenemos una precisión de 4,88mV, lo que supone una precisión relativa respecto a la señal de entrada de 0,1% (1/1024).
La Arduino permite cambiar la tensión tomada como referencia por el conversor analógico digital. El valor de la referencia se cambia con la función AnalogRef, y los valores posibles son:
DEFAULT: Valor por defecto, correspondiente con Vcc, en el caso de Arduino MEGA 2560, el valor de voltaje de Vcc es igual a 5V, y es la opción seleccionada para el desarrollo del prototipo del presente trabajo.
138Imagen extraída del Suplemento del Manual de Toyota Corolla 1129E. TOYOTA MOTOR CORPORATION. Agosto 2, 2004. Aplica a los modelos: Series NDE 120. Capítulo 5, página 64.
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INTERNAL: Corresponde a 1.1V.
EXTERNAL: Voltaje aplicado de forma externa en el pin Vref (entre 0 y Vcc).
INTERNAL1V1 e INTERNAL2V56, correspondientes a 1.1V y 2.56V.
En lo que respecta al lenguaje de programación aplicado en la placa de desarrollo Arduino, el código para llevar a cabo la lectura utiliza la función AnalogRead (), donde se almacena el valor devuelto.
Luego, el valor devuelto por la función AnalogRead () se codifica como un número entero entre 0 y 1023. De esta manera, para convertir este valor en un valor de tensión se utiliza una función que permite la transformación del valor en voltaje a un valor en decimales.
Una vez aplicada la función para convertir el valor en voltaje a un valor con decimales, se procede a aplicar la fórmula para el cálculo del caudal de flujo de masa de aire que circula por el sensor MAF.
En lo que respecta al cálculo de la temperatura ambiente, el sensor de temperatura IAT, al igual que el sensor MAF, la temperatura ambiente del aire que circula por el MAF se traduce en una señal analógica, la cual es recibida por la placa de desarrollo Arduino MEGA 2560, a través de sus pines de entrada analógicos. De esta manera, haciendo uso del software Arduino, se aplica una función para convertir el valor en voltaje (señal analógica de salida del sensor IAT) a un valor con decimales, que expresa al temperatura ambiente del aire expresado en °C.
ESPECIFICACIONES DEL SENSOR MAF SELECCIONADO PARA EL DISEÑO DEL PROTOTIPO MEDIDOR DE LA CALIDAD DEL AIRE
Dispositivo seleccionado: Sensor MAF Hellux. Toyota Corolla 1.6-1.8 Vvti Rav4 3.0 (Figura 6.27.)
Figura 6. 27. Sensor MAF Hellux.
Disposición de los pines de salida del conector del sensor MAF seleccionado (Figura 6.28.):
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Figura 6. 28. Pines de salida del sensor MAF.
Tabla de pines de salida del sensor MAF (Tabla 6.1.):
Pin
Color cable
Descripción
1 Rojo Alimentación del Sensor
MAF (12 voltios).
2 Negro Masa o tierra del sensor
MAF.
3 Violeta Señal del sensor MAF.
4 Verde Señal del sensor IAT.
5 Azul Masa o tierra del sensor
IAT.
Tabla 6. 1. Disposición de los pines de salida del sensor MAF.
6.4.1.3. GENERADOR DE FLUJO