Σχεδιασμός και κατασκευή αισθητήρα ροής με εκτεταμένο εύρος τιμών εισόδου

Μπενάκη, Βασιλική

Design and fabrication of an extended measuring range flow sensor

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Μπενάκη, Βασιλική

Date

2022-03-30

Advisor

Pagonis, Dimitris Nikos

Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία (3.108Mb)

Keywords

Engine air intake sensor ; Additive manufacturing ; Τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής ; PCB technology ; Hot-wire ; MAF sensor ; DIESEL engine ; NACA airfoils ; Tεχνολογία τυπωμένων κυκλωμάτων ; Aισθητήρας παροχής αέρα ; Αεροτομές ; Μηχανές εσωτερικής καύσης

Abstract

Η εργασία αυτή αφορά στο σχεδιασμό, στην κατασκευή και στη βαθμονόμηση μιας καινοτόμου αισθητήριας διάταξης μέτρησης παροχής αέρα εισαγωγής για μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) χαμηλής και μέσης ισχύος, ο οποίες χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές στη ναυτιλιακή βιομηχανία. Η καινοτομία της διάταξης αφορά στη διαδικασία κατασκευής της, η οποία βασίζεται στις τεχνολογίες Προσθετικής Κατασκευής (3D Printing) και Εκτυπωμένων Κυκλωμάτων (PCB), καθώς και στη χαρακτηριστική γεωμετρία του φορέα των αισθητήριων στοιχείων. Η γεωμετρία αυτή είναι βασισμένη σε τυπικές αεροτομές (NACA/Joukowski) και προκύπτει μέσω κατάλληλων αριθμητικών προσομοιώσεων. H αποτελεσματικότητα της διάταξης οφείλεται στην εισαγωγή μίας παράκαμψης ροής εντός του φορέα, η οποία μέσω κατάλληλης στένωσης μειώνει τη ροή του ρευστού στην περιοχή της δειγματοληψίας, επιτρέποντας μεγαλύτερο εύρος μέτρησης. Να επισημανθεί ότι η εισαγωγή της γεωμετρίας αεροτομών στη σχεδίαση της στένωσης ομαλοποιεί δραστικά το προφίλ της ροής εντός της παράκαμψης. Η προτεινόμενη διάταξη επιτρέπει χαμηλού κόστους, γρήγορη κατασκευή, αποτελεσματική θερμομόνωση και εύκολη ηλεκτρική διασύνδεση με το αντίστοιχο κύκλωμα του αισθητήρα. H λειτουργικότητα της συνολικής αισθητήριας διάταξης επιβεβαιώθηκε πειραματικά στην εργαστηριακή κλίνη μηχανής DIESEL του Τμήματος Ναυπηγών Μηχανικών ενώ παράλληλα, αξιοποιώντας ως αναφορά τον ενσωματωμένο στη μηχανή αισθητήρα ροής μάζας αέρα (ΜΑF), βιομηχανικού τύπου, πραγματοποιήθηκε η βαθμονόμηση της. Βασικά χαρακτηριστικά της προτεινόμενης αισθητήριας διάταξης είναι η χαμηλού κόστους, επιτόπια κατασκευή της σε σύντομο χρονικό διάστημα (μπορεί να κατασκευαστεί κατόπιν ζήτησης οδηγώντας σε εξοικονόμηση χώρου-ειδικά επί του πλοίου) καθώς και η στιβαρότητα της σε συνδυασμό με τη σχετικά απλή αρχή λειτουργίας της, χαρακτηριστικά που την κάνουν υποψήφια προς χρήση, σε πλήθος εφαρμογών στη ναυτική μηχανολογία.

Abstract

This work concerns the design, fabrication, and preliminary characterization of a novel sensor for determining the air intake of low & medium power internal combustion engines employed at various applications in marine industry. The novelty of the presented sensor focuses on the fabrication process which is based on Additive Manufacturing (3D Printing) in conjunction with the PCB technology and the design of the sensing elements housing geometry, based on standard airfoil geometries (NACA/ Joukowski). Appropriate CFD Simulations had been performed leading to the optimal housing geometry. Briefly, the introduction of a flow bypass of appropriate geometry, into the sensor housing contributed greatly to the effectiveness of the device, minimising the flow around the sensing element, and therefore enabling an extended measurement range. In that respect, the implementation of typical airfoil geometries for the bypass design leads to a smooth flow profile within the bypass. The proposed device allows low cost, fast on-site construction, efficient thermal insulation, and easy electrical interconnection to the circuitry of the sensor. For initial characterization purposes, the prototype device was integrated into the Naval Architecture Department DIESEL engine testbed while a commercially available mass air flow sensor was employed as a reference; the proper functionality of the developed prototype has been validated. Key features of the proposed device are low-cost, fast on-site manufacturing of the device, robustness and simplicity suggesting numerous potential applications in marine engineering area.