Patternator project

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Information about Patternator project
Automotive

Published on March 13, 2014

Author: Maurizio_Malaspina

Source: slideshare.net

Description

Study, design and realization of a prototype of system finalized to determine the spatial distribution of mechanical fluids in GDI engines based on capacitive sensors. Full description, starting from the physics of the capacitor until the characterization of uncertainty of measurement of the working prototype. A complete treatment that wraps a deep description of the sensor physics, the hardware, the firmware and the software. I wrote it for my degree at Italian University, so this article is only in Italian language.

Ruolo chiave dell’iniettore nella formazione dello spray Funzionamento in regime di carica stratificata

Ruolo chiave dell’iniettore nella formazione dello spray Funzionamento in regime di carica stratificata Minore consumo di benzina Riduzione dell’emissione di inquinanti

Iniettore sotto test Modello CFD Metodi di misura ottici

C0 = 8pF CDC AD7746 n-Eptano: εl = 1,997pF/m Sensibilità 10µl Metodo di conversione: - Modulatore Σ∆, uscita 24bit - Range di misura ±4pF - Accuratezza ±4fF - Alimentazione DC VDD=3,3V - EXC: ±VDD/2, f=32KHz Funzione di conversione inversa sperimentale y = 10x + 10 R2 = 1 0 200 400 600 800 1000 0,090 0,640 1,020 1,230 1,670 2,250 2,860 3,560 4,160 4,640 5,170 5,650 6,090 6,540 7,040 7,460 7,910 ∆ C misurata (pF) Volumeiniettatodi n-Eptano(µl)

Connessione matriciale: riduzione numero connessioni Mappatura logica Misura cella (3,3) single ended Capacità parassite Linearità della f.d.c. Ripetibilità (con scarica armature) Limitato crosstalk Sensibilità fino al µl Necessità di schermatura a GND Problemi di tenuta stagna Problema della coassialità Difficoltà di isolamento delle armature esterne CAPACITA’ BIFILARE

Linearità della f.d.c. Ripetibilità (con scarica armature) Limitato crosstalk Sensibilità fino al µl Aumentato rapporto S/N tramite schermatura Risolti i problemi di tenuta stagna Problemi meccanici di: - Foratura alloggiamento sensori - Parallelismo armature REALIZZAZIONE SENSORE 25x25 CON TECNICA STEREOLITOGRAFICA

Aumentato S/N mediante utilizzo batteria con unione delle masse Ampia variabilità offsets Problema di ripetibilità della misura PROGETTAZIONE OCULATA PCB SCARICA LINEE DI CONVERSIONE CDC

TOP VIEWLATERAL VIEW DETTAGLIO ARMATURA Problema del parallelismo delle armature risolto tramite l’impiego di occhielli Linearità della f.d.c. Armature inserite in un pattern 5x5 realizzato per eseguire tests Totale sensori: 625 su area di 10x10cm2 Lunghezza lato base quadrata: 3,2mm Volume disponibile per n-Eptano: 625 x 1176,59 µl C0≅1,83pF, ∆C ≅ 1,5pF Armature in tungsteno con base nichelata per brasatura, diametro 0,6mm, lunghezza 139,7mm, separazione dei centri 2h≅3,394mm Necessità di siliconare la base per assicurare la tenuta stagna

C misurata LEGENDA C parassita eliminata Connessione alternata dei sensori riduzione C parassite Utilizzo di 4 livelli di metallizzazione Schema elettrico circuito di misuraMicrocontrollore PIC18F242 (Microchip) Sistema di commutazione a relays reed Sistema di scarica linee del CDC tramite relay reed Pilotaggio relays con driver 6259 (Allegro MicroSystems) Porte seriali RS232C optoisolate

Firmware scritto in C e ASM: -Protocollo di comunicazione seriale con gestione timeout e rilevazione errori -Identificazioni sottomatrici -Comunicazione I2 C con CDC -Gestione commutazione relays -Scarica linee CDC Tempo di scansione dell’intero pattern ≅ 1’ 30’’ con Tconv=109,6ms

1574 1296 _ = 278 Misura a vuoto: C0Misura a regime: C ∆C = C - C0 Funzione di conversione sperimentale della cella in fase di misura y = 0,7943x - 8,5604 R2 = 0,9976 0 100 200 300 400 500 600 0 200 400 600 800 Volume di n-Eptano (µl) Unitàmisurate (CDCcode/1000) Sperimentale Interpolazione m.q. Funzione di conversione inversa V [µl] = 1,259∆C+10,77=109µl 109 Stima volume di n-Eptano [µl]

Raggio d’azione limitato alle sole celle perimetrali Test effettuati nella peggiore condizione di funzionamento Origine: dipendenza di un sensore dallo stato di quelli perimetrali 1785 175517481785 17551748 +810 174817481643 +746+758 50mm 1.6% +797 70mm 6.8% 25mm 25mm 25mm ERRORE < 1% Ipotesi di funzionamento con distribuzione spaziale del carburante uniforme Crosstalk trascurabile

Incertezza del misurando: ± 0,05µl (siringa micrometrica: ± 0,5µl) Valutazione della incertezza di tipo A (norma UNI CEI 9/97) su un subpattern 5x5 con set di N=10 misure ognuno M=7 step di riempimento Valutazione incertezza di tipo A sulla stima del volume al variare del fattore di copertura k Funzioni di conversione inverse sperimentali pattern 625x625. 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Volume di n-Eptano (µl) Capacità(code) (7,15) (7,16) (7,17) (7,18) (7,19) Funzioni di conversione inverse sperimentali pattern 625x625. 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Volume di n-Eptano (µl) Capacità(code) (8,15) (8,16) (8,17) (8,18) (8,19) Funzioni di conversione inverse sperimentali pattern 625x625. 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 2650 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Volume di n-Eptano (µl) Capacità(code) (9,15) (9,16) (9,17) (9,18) (9,19) Funzioni di conversione inverse sperimentali pattern 625x625. 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 2650 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Volume di n-Eptano (µl) Capacità(code) (10,15) (10,16) (10,17) (10,18) (10,19) Funzioni di conversione inverse sperimentali pattern 625x625. 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Volume di n-Eptano (µl) Capacità(code) (11,15) (11,16) (11,17) (11,18) (11,19) -Sensibilità: 2,5µl -Incertezza sulla stima del volume: ±7,3µl -I.e. max relativa vs fondo scala: 1% (p=99% che misurando appartenga all’intervallo di confidenza) -Incertezza di tipo B: 16µl, in forma relativa vs f.s. = 2,3% Funzione di conversione inversa caso peggiore cella (9,18), (incertezza estesa=7,27µl calcolata per k=2) 1855 1955 2055 2155 2255 0 100 200 300 400 500 600 700 Volume di n-Eptano (µl) Capacità(code) Funzione di conversione inversa caso migliore cella (8,19), (incertezza estesa=0,68µl calcolata per k=2) 1855 1955 2055 2155 2255 2355 0 100 200 300 400 500 600 700 Volume di n-Eptano (µl) Capacità(code)

Aumento del rapporto S/N Schermatura metallica del sensore (collegata a GND) Alimentazione tramite batteria Relays reed schermati Estensione del funzionamento Studio e modellazione del crosstalk Filtri software Diminuzione interferenze e.m. Geometria sensore STUDIO E.M. UNIVERSITA’ DI CASSINO Valutazione della prontezza del sistema Modifiche al firmware: attesa KxTconv Modifiche al software: invio di parametri al sistema

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