热膜式空气流量计的测量技术

热膜式空气流量计的测量技术摘要：空气流量计是汽车电控系统的一个重要元件，它担负着向电脑传递进气量大小信号的任务，它性能的好坏直接影响到发动机能否正常工作，因此掌握空气流量计的检测与故障诊断方法就特别重要测量技术。热膜式空气流量计是基于热平衡原理，用于检测吸入发动机空气的质量流量计。可测量吸入发动机气缸的空气量并将其转变成电信号传送给ECU，是确定基本喷油量的重要依据之一。本文通过对热膜式空气流量计的测量原理、温度补偿的分析介绍了其测量技术。关键词：热膜式空气流量计热平衡测量技术空气流量传感器AFS（AirFlowSensor）又称为空气流量计AFM（AirFlowMeter），其功用是检测发动机进气量大小、并将进气量信息转换成电信号输入电控单元（ECU），以供ECU计算确定喷油时间（即喷油量）和点火时间。进气量信号是控制单元计算喷油时间和点火时间的主要依据，同时对发动机的正常运转、提高燃油效率及减少汽车尾气排放起到至关重要的作用。一、热膜式空气流量计的基本原理热膜式空气流量计是基于热平衡原理，用于检测吸入发动机空气的质量流量计。可测量吸入发动机气缸的空气量并将其转变成电信号传送给ECU，是确定基本喷油量的重要依据之一。1—接线插座2—护套1—过滤层2—温度补偿电阻3—铂金属膜4—防护网3—热膜电阻热膜式空气流量计的发热元件是铂金属膜，铂金属发热元件的响应速度很快，能在几毫秒内反映出空气流量的变化，因此测量精度不受进气气流脉动的影响。此外还具有进气阻力小，不磨损部件等优点，因此目前大多数中高档轿车都采用了这种热膜式空气流量计。热膜式空气流量计的结构如图1所示，热膜电阻设在其内部的进气通道的一个矩形护套中。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度，在护套的空气入口一侧设有空气过滤层，用以过滤空气中的污物。为了防止进气温度变化使测量精度受到影响，在热膜电阻附近的气流上游没有铂金属膜式温度补偿电阻，如图2所示。温度补偿电阻和热膜电阻与流量计内部控制电路相连，控制电路与线束连接器插座相连，线束插座设在计壳体中部。热膜电阻的阻值比较大，消耗的电流较小，使用寿命较长。但是，由于其发热元件表面制作有一层绝缘保护薄膜，存在辐射热传导作用，因此响应特性稍差。二、热膜式空气流量计测量原理2.1空气流量测量原理在强制气流的冷却作用下，发热元件在单位时间内的散热量H和发热元件的温度TH与气流温度TG之差成正比，其散热量H与气流质量流量QM之间的函数关系如下:H=Kλ1−mμm−nCpm(TH−TG)QMn式中：K为常数；λ为空气热导率；μ为空气黏性系数；CP为空气比热容。m和n的值与流体的性质及雷诺数有关。设发热元件的加热电流为I、电阻值为RH，在热平衡状态下，散热量等于发热量，即：H=I2RH由式（1）和式（2）可得气流的质量流量QM与加热电流I之间的函数关系式如下：QM=√(RHKTTH−TG)×I2n式中：KT=K−1λm−1μn−mCp−m,系数KT值与空气温度TG有关，其温度系数为（0.15%～0.18%）/℃；发热元件的电阻值RH与自身温度TG有关，温度升高，阻值增大。可见通过控制发热元件的温度TH与空气温度TG之差为一恒定值，就可以根据发热元件的加热电流I求得空气气流的质量流量QM。在热膜式流量计中，采用了恒温差控制电路实现流量检测。恒温差控制电路如图3所示，发热元件电阻RH和温度补偿电阻（进气温度计）RT分别连接在惠斯登电桥电路的两个臂上。当发热元件的温度高于进气温度时，电桥电压才能达到平衡，并由具有电流放大作用的控制电路A控制加热电流（50～120mA）来保持发热元件温度TH与温度补偿电阻温度TT之差保持恒定（即△T=TH-TT=120℃）。RT—温度补偿电阻（进气温度传感器）RH—热膜电阻RS—信号取样电阻R1、R2—精密电阻UCC—电源电压US—信号电压A—控制电路当空气气流流经发热元件使其受到冷却时，发热元件温度降低，阻值减小，电桥电压失去平衡，控制电路将增大供给发热元件的电流，使其温度保持高于温度补偿电阻温度（120℃）。电流增量的大小，取决于发热元件受到冷却的程度，即取决于流过流量计的空气量。当电桥电流增大时，取样电阻RS上的电压就会升高，从而将空气流量的变化转换为电压信号US的变化。输出电压与空气流量之间近似于4次方根的关系。信号电压输入ECU后，ECU便可根据信号电压的高低计算出空气质量流量QM的大小。当发动机怠速时，其节气门关闭或接近全闭，因此空气流速低，空气量少；如果空气为热空气，则空气温度越高，空气密度越小。所以在体积相同的情况下，热空气的质量小，因此发热元件受到冷却的程度小，阻值减小幅度小，保持电桥平衡需要的电流也小，故取样电阻上的信号电压低。反之，当发动机负荷增大时，由于空气流速快，进入的空气量多，相对来说，空气为冷空气，发热元件受到冷却的程度就大，阻值减小幅度大，保持电桥平衡需要的电流也大，故取样电阻上的信号电压高。控制单元ECU根据信号电压即可计算出空气量。2.2温度补偿原理热膜式质量空气流量计,可以通过电路硬件补偿环境温度对测量结果精度的影响,从而实现了对质量空气流量的直接测量。当进气温度变化时，发热元件的温度就会发生变化，测量进气量的精度就会受到影响。设置温度补偿电阻（温度计）后，从电桥电路上可以看出，当进气温度降低使发热元件上的电流增大时，为了保持电桥平衡，温度补偿电阻上的电流相应增大，以保证发热元件温度与温度补偿电阻之差保持恒定，使流量计测量精度不受进气温度变化的影响。三、系统硬件电路设计介绍传感器主要组成包括惠斯登电桥电路、电桥自动平衡电路、功率放大电路、微处理器电路(含A／D转换)、D／A转换电路以及信号输出电路等，智能空气流量计电路结构框图如图：主体电路采用了反馈电路，工作时，当热膜电阻与空气之间的热交换发生变化时，热膜温度发生改变，引起热膜电阻值发生相应的变化，并且空气质量流量越大，被带走的热量也就越多，其电阻值减小越多。因此电路中输入到运算放大器的电压也随之而变，由于输入到运算放大器的电压变化将引起反馈放大器电压发生改变，结果通过热膜的电流随之改变，直到热膜的温度恢复原值，惠斯登重新恢复平衡。这时供给电桥的电压己经发生了变化，因此电桥电压的变化能反映空气的流量的变化，这个桥路电压作为测量空气流量的电信号引入带有A／D转换功能的微处理器电路进行处理，将电桥输出电压信号转换为数字信号，然后经过线性化处理后，输出电压信号，成为输出信号供Ecu作为判断信号使用。1．1微处理器的选择本研究选用Freescale的Mc9s08QD4汽车级芯片作流量计的微处理器，主要基于如下原因：(1)芯片内含8位A／D转换器，能满足发动机控制精度要求。该设计所适用的发动机进行空燃比计算时，若采用双区或多区燃烧模型对燃烧过程进行循环计算，准确性高但计算量大，所以只用作离线计算，而在实际运行时笔者采用对实验数据的拟合数学模型进行计算，因此选择与其运算与处理要求相适应的处理器。(2)作为一种经济型微处理器，其内含HCS08系列内核、时钟以及总线接口与流量计的需求接口和功能相适应。可大大减小系统设计的外围接口，同时不至于引起处理器接口的浪费4。(3)该芯片具有应用于汽车的背景而且体积非常小，能耐受并适应流量计的特殊使用环境。1．2微处理器与信号输出电路微处理器与信号输出电路如图2所示，经过第一级差动放大器的电桥输出信号被输入到微处理器的两个A／D转换接口。微处理器对信号进行计算和处理后输出给D／A转换器。D／A转换器按照时序将数字量改变为模拟量，与其相连的运算放大器对来自D从转换器的电压信号进行放大产生一定大小的电流输出，利于保证流量计与Ecu之间信号传输的健壮性。图2微处理器以及信号输出外围电路1．3电桥自动平衡电路电桥自动平衡电路如图3所示，当热膜电阻与空气之间的热交换发生变化时，热膜温度发生改变，引起热膜电阻值发生相应的变化。此时电桥不再处于平衡状态，输出电压也改变。改变后的电压经过运算放大器的多级放大后控制电桥的输入电压，使通过热膜电阻的电流随着变化，直到热膜的温度恢复原值，惠斯登重新恢复平衡。这时电桥输出电压与通过热膜电阻的流体质量流量相关，通过测量电桥输出电压，可经换算得出空气的质量流量。电桥自动平衡电路的输出电压信号进入功率放大电路，由其变为电流信号供给惠斯登电桥的输入端。于输入信号含同相电压，第一级采用差动放大，以提高抗共模干扰能力。为了提高电桥输出端的增益，输出端的电压采用了多级放大的方式，通过配合不同反馈电阻值，可以调节输出端的电压增益的大小。四、热膜与进气流的温度差，在流量计可保持120℃恒定。空气流过时所需的加热电流即为流过的空气质量的度量。由于测定的加热电流无需校正，它可以直接作为进入空气的质量流量，故测量的误差较小，可保证±2%的范围内。为了保证进气流动均匀地流入进气测量管中，在流量计的入口处的防护栅格可减少流量计中的热膜受污，也可使热膜式传感器减少机械损伤。这种空气质量流量计的流量量程比约为1：60。设计要求在最大流量计测时，进气压力的损失不能减小发动机的充气效率。由于热膜式流量计能满足精度要求，且结构简单，抗沾污能力强，价格便宜，因此在汽车上应用较多。五、近年来，流量传感器得到了迅速发展，传感器的功能得到很大的提高，在工农业生产和国防工程中得到了越来越广泛的应用．由于MEMS工艺尺寸小、强度低，必须通过封装来提高其机械强度，来保护芯片的微结构、电路结构和电气连接．因此，流量传感器只有进行封装以后才能实现稳定可靠的实际应用，封装是实现流量传感器的应用和促进其发展的重要环节，封装研究对于实现流量传感器的商业化和促进流量传感器的进一步发展都具有重要意义。封装效果良好，安全可靠的话可以保证热膜式流量传感器的有效应用．参考文献：1.李飞标.陈永良.郭斌汽车空气流量计性能测试台的设计[期刊论文]-工业控制计算机2008(7)2.高德荣BOSCHHFM5型热膜式空气流量计故障诊断[期刊论文]-汽车维修2007(7)3.张兴安.ZHANGXing-an捷达王热膜式空气流量计的检测及故障诊断[期刊论文]-汽车电器2008(6)4.陆敏恂.林永佳.周爱国.周全.基于PSpice的热式空气流量计发热电阻模型[期刊论文]-中国工程机械学报2009,7(4)5.王平福.边耀璋.蹇小平.毕利格.哈里德麻电喷发动机空气流量计常用工况故障特征研究[期刊论文]-科技咨询导报2007(15)6.李玉柱.卡曼涡旋式空气流量计的原理与故障检测[期刊论文]-湖南工业职业技术学院学报2007,7(3)7.李贵德.孟革浅谈热线(热膜)式空气流量计的机理与检测[期刊论文]-汽车维修技师8.黄修铜，王婷旺，杨文涛，王鲜.基于PIC单片机的热膜式空气流量计设计［J］.传感器世界，2013.11.9.司景萍，高志鹰.汽车电器及电子控制技术［M］.北京大学出版社，2012.10.李矿理，武文.汽车电器电子装置检修图解［M］.金盾出版社，2008.