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Francesco Gaiani
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Il debimetro

La misura di una massa avviene per mezzo di bilance ed è completamente inutile misurare la massa dell'aria sulla Terra, perché il suo peso è noto.

Detto per inciso, per determinare la massa di un gas all'interno di uno spazio chiuso, in quiete, bisogna conoscerne tre grandezze: volume, pressione e temperatura.

Un metro cubo d'aria pesa esattamente un kilogrammo nella stragrande maggioranza delle condizioni sul nostro pianeta.

Il debimetro non è quindi un misuratore di massa, ma di portata in massa e non viene utilizzato solo in applicazioni automobilistiche, ma anche in molti altri ambiti industriali.

La portata in massa si può considerare, per semplicità, la variazione della massa rispetto al tempo o, dividendo per la densità, di un volume rispetto al tempo e quindi del prodotto di una superficie per una velocità. Quest'ultimo concetto tornerà utile nel seguito.

Il problema tecnologico che si vuole risolvere con i misuratori di portata è quello generale di fornire ad un qualsiasi dispositivo di acquisizione un segnale proporzionale alla portata in massa del fluido in esame che può essere aria, gas, acqua o altro.

Nella foto che precede sono rappresentati due debimetri di moderna generazione per impieghi automobilistici.

Indipendentemente dalle funzionalità dell'elettronica che lo anima, il debimetro altro non è che uno strumento in grado di rilevare una differenza di potenziale ai capi di una resistenza elettrica, spesso di platino, al variare della resistenza stessa.

Si potrebbe pensare che per raggiungere lo scopo basti un voltmetro ed infatti il concetto di base è proprio quello.

Più in particolare la tecnologia dei debimetri automobilistici è basata sui concetti di base di un noto strumento di misura che si chiama termometro a filo caldo.

Come è ovvio intuire i termometri a filo caldo vengono impiegati per misurare la temperatura, niente a che vedere in apparenza con la misura della massa di un gas, dell'aria nel nostro caso.

Ma veniamo innanzi tutto a come un termometro a filo caldo sia utilizzato per misurare la temperatura.

Segue lo schema di un termometro a filo caldo:

 

La resistenza elettrica dei materiali conduttori varia (tra gli altri fattori) con la loro temperatura; le leggi che descrivono tale variazione sono caratteristiche di ciascuno di essi.

E' esperienza comune che soffiando su un corpo questo si raffreddi e che quindi, per quanto sopra, la sua resistenza cambi valore.

Se immaginiamo a questo punto di iniettare all'interno di un segmento di materiale conduttore una corrente costante, una qualsiasi variazione della resistenza dello stesso provocherà un cambiamento della differenza di potenziale ai suoi capi.

Se tale variazione di resistenza sarà dovuta ad una variazione della temperatura del conduttore, ecco che la variazione di potenziale sarà legata alla variazione di temperatura medesima.

Quindi, rilevando la differenza di potenziale ai capi del conduttore, si ricaveranno informazioni circa la temperatura dello stesso, essendo le due grandezze, resistenza e temperatura, legate da una relazione caratteristica per il materiale in esame.

Siamo quindi in grado di conoscere la temperatura di un fluido che sia in movimento o meno, immergendo all'interno dello stesso il termometro a filo caldo.

Certo, difficilmente, se il fluido non è in condizioni stazionarie e non si è aspettato abbastanza tempo, la temperatura del conduttore sarà esattamente quella del fluido, ma trascuriamolo per semplicità.

Passiamo adesso a schematizzare in maniera semplice e generale il funzionamento del debimetro.

Supponiamo per semplicità di avere a disposizione due termometri a filo caldo: uno immerso nel fluido in movimento (lo chiameremo ‘A') e uno immerso nello stesso fluido, ma in quiete (lo chiameremo ‘B').

Per chiarire il concetto basti pensare di immergere il termometro ‘A' all'interno di una corrente d'aria e che il termometro ‘B' venga immerso nella stessa corrente, ma con una schermatura atta ad impedire alla corrente di lambirlo direttamente.

 

E' intuibile che i due termometri rileveranno una diversa temperatura.

Le temperature lette dai due termometri sono uguali solo nel caso in cui il fluido sia in quiete, cioè di velocità dell'aria uguale a zero e la loro differenza aumenta, a parità di altri fattori, proporzionalmente alla velocità del flusso d'aria, perché più il flusso è veloce, più il termometro ‘A' viene raffreddato.

Senza entrare nel dettaglio della matematica, dalla lettura del termometro ‘B' si possono ricavare informazioni circa la densità dell'aria, dal momento che si considera la pressione costante (del valore di una atmosfera).

Per inciso la variazione della densità dell'aria tra le zone ‘A' e ‘B' è tracurabile.

La centralina dell'impianto di iniezione leggerà variazioni di differenza di potenziale ai capi dei due conduttori ‘A' e ‘B', analogamente a come noi leggiamo differenze di temperatura.

Chiamiamo la differenza di potenziale ai capi di ‘A': ‘X' e la differenza di potenziale ai capi di ‘B': ‘Y'.

Il valore ‘X' meno ‘Y' ci fornisce una stima ‘Z' della velocità dell'aria, la cui densità, anche, è stimata come sopra specificato.

Moltiplicando la sezione di passaggio dell'aria (che si ottiene a partire dal diametro del debimetro) per il valore ‘Z' e quindi per la densità stimata, si ottiene una stima della  portata in massa che fluisce all'interno del dispositivo.

Quindi è chiaro come un debimetro automobilistico consenta di fornire alla centralina di iniezione un segnale di valore proporzionale alla portata in massa dell'aria aspirata dal motore.

Che poi questo valore sia corretto da altre tabelle memorizzate all'interno della memoria della centralina è un altro discorso, che rientra nella sperimentazione con cui viene tarato e portato a funzionare un motore a combustione interna.

Questa breve spiegazione sul funzionamento del debimetro potrebbe essere integrata da considerazioni sulle leggi della convezione, ma la complicazione dell'argomento andrebbe oltre lo scopo di questo articolo.

 

Passiamo adesso alla descrizione di un debimetro meccanico, chiamato spesso ‘a paletta', raffigurato nella foto soprastante e battezzato ‘AFM' cioè Air Flow Meter dagli anglosassoni.

Questo tipo di debimetro è molto più vecchio in termini tecnologici del debimetro a film caldo descritto precedentemente, più soggetto alle oscillazioni della colonna d'aria aspirata, più strozzante per l'aspirazione (maggiori perdite di carico), ma al tempo stesso più robusto del primo.

Il suo funzionamento si basa su un concetto molto semplice: l'aria aspirata al suo interno viene intercettata da un flap (paletta) di metallo incernierato esattamente come una porta e lo spinge, provocandone la rotazione.

Il flap è collegato al telaio del debimetro con una molla a spirale, allo scopo di riportarlo in posizione di riposo, quando il flusso d'aria cessa.

Più nel dettaglio, l'aspirazione del motore causa una differenza di pressione tra monte e valle del  debimetro tale che, moltiplicata per la  superficie del flap, crea una forza sufficiente da vincere la resistenza della molla che lo collega al telaio, consentendone la rotazione.

All'interno del coperchio sigillato nero, visibile nella foto, si trova un potenziometro a strato ceramico che invia alla centralina un segnale proporzionale all'angolo di apertura del flap.

Per la rilevazione della temperatura del flusso d'aria, nel debimetro a paletta, viene utilizzato un termistore (sensore di temperatura aria o ATS, Air Temperature Sensor) montato in posizione centrale e anteriore rispetto al flap, protetto da una gabbia di plastica.

Il termistore è costituito da una lega metallica particolare, studiata con lo scopo di realizzare un conduttore la cui resistenza diminuisca con l'aumentare della temperatura.

Come possiamo notare il concetto di base resta sempre lo stesso.

A differenza del termometro a filo caldo, il termistore ha una resistenza molto più elevata e la sua curva di graduazione non è lineare.

La centralina riceve quindi in ingresso due segnali: uno relativo alla rotazione del flap e uno relativo alla temperatura del flusso d'aria.

Come è stato precedentemente specificato, l'apertura e quindi la rotazione del flap è provocata dalla differenza di pressione che insiste a monte e a valle del debimetro, ma per motivi che coinvolgono la dipendenza della forza applicata dall'angolo di rotazione, che in questa sede è inutile approfondire, tale rotazione non varia linearmente con la differenza di pressione.

Tale dipendenza non lineare tra angolo di rotazione e depressione di aspirazione si trasferisce anche nella relazione che lega la velocità del fluido attraverso il debimetro e, quindi, la sua portata volumetrica, al variare del medesimo angolo.

Nel caso del debimetro meccanico, quindi, non si ha propriamente una stima della portata in massa di aria, ma piuttosto un  segnale proporzionale alla portata volumetrica dell'aria aspirata.

Questo segnale viene corretto ed elaborato dalla centralina di iniezione a  mezzo della lettura del sensore ATS e di altre costanti (ad esempio costante di iniezione e voltaggio batteria).

La trasformazione da portata volumetrica a portata in massa avviene quindi con calcoli interni alla centralina.

E' utile, a questo punto, fare alcune precisazioni.

Sia nel caso del debimetro a filo caldo che del debimetro meccanico sono le scelte progettuali e la sperimentazione del motore sul banco che consentono di programmare la centralina in modo da ottimizzare le performances a partire dai segnali inviati dai vari sensori.

L'importante, infatti, è che la centralina, ricevuto in input un certo numero di segnali provenienti da sensori ‘qualsiasi ' possa gestire correttamente l'anticipo di accensione e i tempi di iniezione.

Quindi non è tanto importante l'informazione che viene inviata (che sia proporzionale ad una portata in massa o in volume) quanto il modo in cui questa informazione viene ‘elaborata' dalla centralina stessa, cioè gli algoritmi con cui vengono gestiti i vari sensori allo scopo di pilotare gli attuatori (ad esempio gli iniettori).

Da tener presente che tali algoritmi molto spesso non sono la traduzione di leggi fisiche, ma sono inventati appositamente per il corretto funzionamento del motore.

In questa ottica, la domanda che spesso si sente: ‘…ma il debimetro misura la massa o il volume?' riceve una immediata risposta.

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Commenti e note

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di ,

Buongiorno sono andato in officina Fiat per sostituire una candeletta bruciata,e al ritiro dell'auto il capo officina mi dice che secondo lui la macchina (fiat Multipla 1.9 jtd anno 2000 km 170000) non rende perche' c'e' da sostituire il debimetro perche non rende soprattutto alle alte velocita',in salita,nei sorpassi e consuma tanto.Chiedo il costo del debimetro e' mi sparano una cifra esorbitante 370,00 euro scontato.Spaventato dal prezzo giro un po su internet e vedo che si potrebbe anche pulire senza farsi salassare.Ti piacerebbe spiegarmi come fare passo dopo passo? una volta rimontato va subito bene ho bisogna testarlo ad un banco di officina?Scusami ma sono poco pratico ma visto il pezzo smontato non mi sembra molto difficile effettuare il lavoro.Ti ringrazio anticipatamente.Giovanni

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di arara_houselover,

Quel che leggo appena sopra sono parole sante: Un debimetro non si usura di per sè, resta il fatto che alle lunghe, in una vattura "trascurata" il film sensibile di cui esso è composto può "cuocere". Mi spiego meglio: Durante il normale funzionamento l'elemento sensibile del debimetro si riscalda operando fino a temperature di 120°C. Pulire un debimetro quando ormai ci avete percorso 170000 km, fregandovene magari a più riprese di sostituire il filtro dell'aria e magari pulire anche i condotti di aspirazione, porta di sicuro a conseguenze amare.I filamenti del debimetro sono di fatto soggetti all'accumulo nel tempo e nei km di vapori d'olio e micropolveri sottili che fino a che rimangono un semplice deposito sul sensore possono essere tranquillamente asportati con alcol isopropilico spay (che non lascia residui) e al massimo, una passata di cottonfioc con mano più delicata di una carezza.In questo caso il vostro debimetro tornerà quasi nuovo. Il problema scaturisce se non ci pensate e se non lo pulite mai, o non ve la sentite di farlo. Alla lunga il calore prodotto gioca il suo ruolo e quelle micropolveri non resterenno più un semplice deposito,bensì diventeranno un tutt'uno col sottilissimo film in platino di cui si compone il sensore. A questo punto ogni tentativo di pulizia, pur delicata che possa essere, di fatto si tradurrà in un materiale asporto del film stesso e il debimetro stesso alla fine è da buttare. Conclusione: Pulite il debimetro con molta delicatezza e attenzione ogni 15000 km contestualmente al cambio del filtro aria, e risparmierete mediamente 300€ per un ricambio originale + 40€ di "manodopera" (5 min di lavoro..) tutto a vantaggio del riacquisto della potenza persa,fluidità, miglior progressione e... minori consumi. saluti.

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di Marco.,

Leggo di tanti che si fanno salassare per farsi sostituire il "debimetro" o flussometro che (e qualcuno lo sa,infatti cito testualmente ) "si E' SPORCATO"! Il problema non è una rottura o "usura" come vi raccontano in officina, semplicemente con i km specialmente se avete un filtro più libero o trascurato, con il pulviscolo ed i vapori che passano oltre si forma un "cappottino" di sporco sui filamenti che li ricopre rendendo il loro raffreddamento minore e falsando il dato in lettura. Chi non si fa bidonare con un pezzo nuovo o "rigenerato" ( questa definizione mi fa sorridere, visto che non ci sono componenti in movimento o soggetti ad usura) nella migliore ipotesi spende per il modulo aggiuntivo che ne amplifica il segnale in uscita! Ma signori miei... almeno chi ha un MINIMO ma proprio un minimo di manualità, posto che non rischiate granchè a danneggiare un componente "da sostituire"... Smontare sto benedetto pezzo,armarsi di coraggio, alcool e cottonfioc a provare a PULIRE delicatamente sti benedetti filamenti? Non è venuto mai in mente a nessuno fuorchè a me? provate... io lo faccio ogni volta che pulisco il filtro aria, e vi assicuro che la vostra auto tornerà come nuova! Ah, anche se trovate delle viti a brugola "strane" in un ferramenta fornito vi forniscono le punte per il cacciavite a pochi euro...

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di angelo cagliari,

Salve a tutti!io sono possessore di una 156 restyling del 2005 150 cv vorrei sapere se anche questo modello è soggetto a frequente malfunzionamento del debimetro, essendo la vettura nuova con ancora 49000 km. Mi devo aspettare continui problemi tra breve??Grazie a tutti, Angelo.

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di salvo,

ciao. ho un problema al debimetro della 156 jtd con turbina variabile e egr a valvola elettronica . sostituito il debimetro con uno nuovo , sostituita la turbina e tubi aspirazione , controllati sia la massa , sia 5v sia 12v sul debimetro, controllato gioco valvole di asp.e scarico .non riusciamo a far salire visualizzato sull'auto diagnosi i valori del debimetro fermi a minimo a 30mg e a massimo a 500mg ( mg mi sembra che c'è scritto nell'autodiagnosi) lieto di aver letto i tuoi servizi . la mantia sei forte nel spiegare i sistemi

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di francesco gaiani,

Si è proprio Bernoulli,  nel mio precedente articolo infatti la forza era proprio 'calcolata' con delle semplici formulette, ma certo tali formulette vanno al di là dello scopo divulgativo, quindi ho sostituito il tutto con una versione più chiaccherata.

Non me ne ero accorto dell'errore nel commento, grazie. E' ovvio nulla che sia privo di densità possa esercitare una pressione e quindi forza.

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di Nicola Sartori,

In un commento è stato affermato che nel debimetro meccanico la forza esercitata sulle palette non è influenzata dalla densità del fluido, ma questo non è assolutamente vero perchè la forza aerodinamica viene espressa come 0.5*ro*V^2*S dove "ro" è appunto la densità del fluido, "V" la velocità dello stesso e "S" la superficie investita dal flusso.

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di Filippo,

Salve qualcuno di voi sarebbe cosi gentile da inviarmi qualche modifica da apportare ad un debimetro di una bmw 320 grazie mille.Email: filippocavallaro@hotmail.com

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di Filippo,

Salve vorrei sapere se si puo apportare qualche modifica esterna o interna ad un debimetro della bosch montato su una bmw 320 cp.

Grazie per la vostra collaborazione.

La mia email � filippocavallaro@hotmail.com

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di Erasmo,

Se qualcuno si è trovato nelle stesse condizioni o sa quale potrebbe essere la causa ne sarò grato. Domanda sul forum Grazie 

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di ,

AVVISO: Le DOMANDE vanno poste nel Forum

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di BARTOLO,

Salve

sono possessore di una HYUNDAI TRAJET CRDI e mi capita molto spesso nei periodi invernali che nell'accensione del motore e dopo che il mezzo è stato fermo per ore lo stesso mi parte per un paio di secondi come se ci fosse aria nell'impianto( glo-glo-glo) questo capita solo nei perodi invernali e non in quelli estivi. L'assistenza non ci ha capito ancora niente.C'è qualcuno che puo' aiutarmi?

Bartolo nscian@tin.it

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di ,

ATTENZIONE IMPORTANTE!
Chi desidera porre domande all'autore dell'articolo, deve esporle nel Forum Motori ed Elettronica di cui Davide La Mantia è moderatore. Le eventuali domande che perverranno ancora in questa sede. saranno poste da Electroportal nel forum suddetto.
Ricordo che è necessario dapprima registrarsi qui

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di ?,

Nel caso di una iniezione con misurazione meccanica della portata d'aria tipo motronic (debimetro a paletta) è possibile sostituire il suddetto debimetro con un sensore temperatura aria abbinato ad un sensore di pressione assoluta senza modificare le tabelle dell'eprom?

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di Max,

Salve ho letto i diversi articoli sui motori diesel. Sono possessore di un alfa 156 con jtd 105cv. Ho sostituito un debimetro a 100000km e quello nuovo si è subito sporcato. Ho letto poi di un dispositivo che va interposto tra il mma e la centralina con cui si puo regolare il segnale. vorrei avere un po piu notizie a riguardo e magari qualche schema x costruire questo circuito. Magari anche via mail.

Grazie

madcowxNOSPAM@freemail.it

rimuovere il NOSPAM!

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di Francesco Gaiani,

Il sensore di temperatura aria è un termistore NTC (negative temperature coefficient). La sua resistenza varia al variare della temperatura, nella fattispecie diminuisce.La misurazione della temperatura è dato fondamentale per calcolare (compito svolto dalla centralina) la massa di un gas (aria) come puoi leggere sopra, unitamente alla pressione e al suo volume.Diciamo comunque che svolge il compito di semplice 'correttore' di anticipi e tempi di iniezione, memorizzati nella centralina, in due modi: o estrapolando dalla temperatura la densità (metodo orribile a mio avviso, ma è solo una opinione) oppure partecipando attivamente al calcolo della massa d'aria, quando ad esempio accoppiato a un sensore di pressione e al segnale di un sensore di posizione del corpo farfallato (che fornisce informazioni circa il volume di aria entrante).Se la centralina non conoscesse (o stimasse) la massa d'aria entrante, come farebbe a dare la giusta benzina per mantenere il corretto rapporto stechiometrico per una combustione ottimale? (che non avviene mai neanche nei sogni più proibiti? ). Da non confondere con il sensore di temperatura acqua (anch'esso NTC) ma che aggiusta assai di più anticipi e tempi di iniezione soprattutto a freddo.Insomma, per finire, la sensoristica di un motore a iniezione serve per dosare in maniera corretta la benzina e aggiustare l'anticipo di iniezione nell'ottica della massimizzazione delle performances. Sono veramente poche le funzioni della centralina che in un modo o in un altro non afferiscano alla funzioni appena menzionate, che comunque restano le principali. Detto ciò non voglio abusare ulteriormente dello spazio concessomi.

ciao.

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di Marco,

Salve!
Vorrei sapere che funzione ha il sensore temperatura aria per la centralina, quali sono i parametri che vengono modificati, grazie.

Rispondi

di ,

Prima di tutto sono lieto di contribuire, soprattutto per gli argomenti che mi piacciono di più.

Osservando gli ultimi MMA si può vedere il condotto aerodinamico che guida l'aria a colpire il film caldo.

I metodi di misura dell'aria aspirata a mio avviso dipendono molto dalle idee del progettista e dalle abitudini dei centri di sviluppo che lo realizzano. La bosch ha sempre preferito misurare il flusso d'aria (MQA o MMA che fosse) anche se non ha disdegnato talvolta usare i sensori di pressione tipo IAW. La Magneti Marelli ha sempre preferito la misura della pressione collettore aspirazione (unitamente, è ovvio, alla misura della temperatura aria).

Quale che sia il metodo, comunque il problema è sempre lo stesso, misurare la massa dell'aria aspirata allo scopo di dosare la benzina.

Parlando con un mio collega ci siamo chiesti come mai da molti anni e tutt'oggi, venga molto utilizzato in Europa un sensore di giri magnetico su ruota fonica sempre con 60 denti (-2) e un sensore di fase separato, mentre sui veicoli giapponesi è spesso utilizzato un sensore ottico che misura i fori su un disco d'acciaio.

L'unica risposta che ci siamo potuti dare è che ognuno utilizza il metodo che gli viene più facile ed economico progettare e realizzare, e si tende a cambiare il meno possibile.

Cordiali saluti

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di Francesco Gaiani,

Ti ringrazio per il contributo. Pensando ai possibili moti del fluido (anche semplificati dalla forma del film caldo) nel misuratore avevo escluso a priori la possibilità di ricavare informazione sulla densità a partire nientemeno che dai moti convettivi!...Accidenti se devono essere fatti con attenzione questi debimetri!
Non è meglio una misura diretta di P, V e T? Come viene fatto in prima approssimazione in un impianto IAW?

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di ,

Il termine debimetro è stato introdotto dalla FIAT nei suoi manuali e a mio avviso ha creato più confusione che altro, anche perchè viene indifferentemente utilizzato per ogni tipo di sensore che misuri un flusso d'aria.

La denominaizone originale data dalla Bosch evita perfino che possa sorgere questo tipo di dubbio.

Il misuratore "a paletta" o meccanico è un Misuratore Quantità Aria (MQA) quindi misura il volume.

Il misuratore a film caldo è un Misuratore Massa Aria (MMA) e quindi misura appunto la massa aria aspirata e non il suo volume.

C'è da considerare infatti alcune cose: la capacità dell'aria di spingere la paletta del MQA dipende dalla sua pressione e velocità e non dalla densità, nel MMA invece il calore sottratto al film caldo dipende, oltre che dalla velocità e temperatura dell'aria, anche dalla sua densità in quanto lo scambio di calore avviene per convezione.

Il sensore temperatura aria che troviamo sia sul MQA sia sul MMA ha scopi diversi nei due dispositivi, infatti nei sistemi a MQA la temperatura dell'aria (oltre che per tante altre cose) viene utilizzata per avere una approssimazione della massa aspirata, mentre nei sistemi a MMA serve prevalentemente a una serie di funzioni aggiuntive.

Saluti

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