熱膜式空氣流量計的測量技術(shù)

1、熱膜式空氣流量計的測量技術(shù)摘要：空氣流量計是汽車電控系統(tǒng)的一個重要元件，它擔(dān)負(fù)著向電腦傳遞進(jìn)氣量大小信號的任務(wù)，它性能的好壞直接影響到發(fā)動機(jī)能否正常工作，因此掌握空氣流量計的檢測與故障診斷方法就特別重要測量技術(shù)。熱膜式空氣流量計是基于熱平衡原理 ，用于檢測吸入發(fā)動機(jī)空氣的質(zhì)量流量計。 可測量吸入發(fā)動機(jī)氣缸的空氣量并將其轉(zhuǎn)變成電信號傳送給ECU， 是確定基本噴油量的重要依據(jù)之一。本文通過對熱膜式空氣流量計的測量原理、溫度補(bǔ)償?shù)姆治鼋榻B了其測量技術(shù)。關(guān)鍵詞：熱膜式空氣流量計 熱平衡 測量技術(shù)空氣流量傳感器AFS（Air Flow Sensor）又稱為空氣流量計AFM（Air Flow Meter）

2、，其功用是檢測發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量大小、并將進(jìn)氣量信息轉(zhuǎn)換成電信號輸入電控單元 （ECU），以供ECU計算確定噴油時間（即噴油量）和點(diǎn)火時間。 進(jìn)氣量信號是控制單元計算噴油時間和點(diǎn)火時間的主要依據(jù)， 同時對發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、 提高燃油效率及減少汽車尾氣排放起到至關(guān)重要的作用。一、熱膜式空氣流量計的基本原理 熱膜式空氣流量計是基于熱平衡原理 ，用于檢測吸入發(fā)動機(jī)空氣的質(zhì)量流量計。 可測量吸入發(fā)動機(jī)氣缸的空氣量并將其轉(zhuǎn)變成電信號傳送給ECU， 是確定基本噴油量的重要依據(jù)之一。1接線插座 2護(hù)套 1過濾層 2溫度補(bǔ)償電阻3鉑金屬膜 4防護(hù)網(wǎng) 3熱膜電阻熱膜式空氣流量計的發(fā)熱元件是鉑金屬膜，鉑金屬發(fā)熱元件的響

3、應(yīng)速度很快，能在幾毫秒內(nèi)反映出空氣流量的變化，因此測量精度不受進(jìn)氣氣流脈動的影響。 此外還具有進(jìn)氣阻力小，不磨損部件等優(yōu)點(diǎn)，因此目前大多數(shù)中高檔轎車都采用了這種熱膜式空氣流量計。 熱膜式空氣流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示，熱膜電阻設(shè)在其內(nèi)部的進(jìn)氣通道的一個矩形護(hù)套中。 為了防止污物沉積到熱膜電阻上影響測量精度，在護(hù)套的空氣入口一側(cè)設(shè)有空氣過濾層，用以過濾空氣中的污物。為了防止進(jìn)氣溫度變化使測量精度受到影響，在熱膜電阻附近的氣流上游沒有鉑金屬膜式溫度補(bǔ)償電阻，如圖2所示。溫度補(bǔ)償電阻和熱膜電阻與流量計內(nèi)部控制電路相連，控制電路與線束連接器插座相連，線束插座設(shè)在計殼體中部。熱膜電阻的阻值比較大，消耗的電流

4、較小，使用壽命較長。但是，由于其發(fā)熱元件表面制作有一層絕緣保護(hù)薄膜，存在輻射熱傳導(dǎo)作用，因此響應(yīng)特性稍差。二、熱膜式空氣流量計測量原理2.1空氣流量測量原理在強(qiáng)制氣流的冷卻作用下， 發(fā)熱元件在單位時間內(nèi)的散熱量H和發(fā)熱元件的溫度TH與氣流溫度TG之差成正比，其散熱量H與氣流質(zhì)量流量QM之間的函數(shù)關(guān)系如下:H=K1-mm-nCpm(TH-TG)QMn式中：K為常數(shù)；為空氣熱導(dǎo)率；為空氣黏性系數(shù)；CP為空氣比熱容。m和n的值與流體的性質(zhì)及雷諾數(shù)有關(guān)。設(shè)發(fā)熱元件的加熱電流為I、電阻值為RH，在熱平衡狀態(tài)下，散熱量等于發(fā)熱量，即：H=I2RH由式（1）和式（2）可得氣流的質(zhì)量流量QM與加熱電流I之間的

5、函數(shù)關(guān)系式如下：QM=nRHKTTH-TG×I2式中：KT=K-1m-1n-mCp-m ,系數(shù)KT值與空氣溫度TG有關(guān)，其溫度系數(shù)為（0.15%0.18%） / ；發(fā)熱元件的電阻值RH與自身溫度TG有關(guān)，溫度升高，阻值增大?？梢娡ㄟ^控制發(fā)熱元件的溫度TH與空氣溫度TG之差為一恒定值，就可以根據(jù)發(fā)熱元件的加熱電流I求得空氣氣流的質(zhì)量流量QM。在熱膜式流量計中，采用了恒溫差控制電路實現(xiàn)流量檢測。 恒溫差控制電路如圖3所示，發(fā)熱元件電阻RH和溫度補(bǔ)償電阻（進(jìn)氣溫度計）RT分別連接在惠斯登電橋電路的兩個臂上。 當(dāng)發(fā)熱元件的溫度高于進(jìn)氣溫度時，電橋電壓才能達(dá)到平衡，并由具有電流放大作用的控制電

6、路A控制加熱電流（50120mA）來保持發(fā)熱元件溫度TH與溫度補(bǔ)償電阻溫度TT之差保持恒定（即T=TH-TT=120）。RT溫度補(bǔ)償電阻 （進(jìn)氣溫度傳感器） RH熱膜電阻RS信號取樣電阻 R1、R2精密電阻 UCC電源電壓 US信號電壓 A控制電路當(dāng)空氣氣流流經(jīng)發(fā)熱元件使其受到冷卻時，發(fā)熱元件溫度降低，阻值減小，電橋電壓失去平衡，控制電路將增大供給發(fā)熱元件的電流，使其溫度保持高于溫度補(bǔ)償電阻溫度（120）。電流增量的大小，取決于發(fā)熱元件受到冷卻的程度，即取決于流過流量計的空氣量。當(dāng)電橋電流增大時，取樣電阻RS上的電壓就會升高，從而將空氣流量的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號US的變化。輸出電壓與空氣流量之間

7、近似于4次方根的關(guān)系。信號電壓輸入ECU后，ECU便可根據(jù)信號電壓的高低計算出空氣質(zhì)量流量QM的大小。當(dāng)發(fā)動機(jī)怠速時，其節(jié)氣門關(guān)閉或接近全閉，因此空氣流速低，空氣量少；如果空氣為熱空氣，則空氣溫度越高，空氣密度越小。所以在體積相同的情況下，熱空氣的質(zhì)量小，因此發(fā)熱元件受到冷卻的程度小，阻值減小幅度小，保持電橋平衡需要的電流也小，故取樣電阻上的信號電壓低。反之，當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大時，由于空氣流速快，進(jìn)入的空氣量多，相對來說，空氣為冷空氣，發(fā)熱元件受到冷卻的程度就大，阻值減小幅度大，保持電橋平衡需要的電流也大，故取樣電阻上的信號電壓高?？刂茊卧狤CU根據(jù)信號電壓即可計算出空氣量。2.2溫度補(bǔ)償原理

8、熱膜式質(zhì)量空氣流量計, 可以通過電路硬件補(bǔ)償環(huán)境溫度對測量結(jié)果精度的影響,從而實現(xiàn)了對質(zhì)量空氣流量的直接測量。當(dāng)進(jìn)氣溫度變化時，發(fā)熱元件的溫度就會發(fā)生變化，測量進(jìn)氣量的精度就會受到影響。設(shè)置溫度補(bǔ)償電阻（溫度計）后，從電橋電路上可以看出，當(dāng)進(jìn)氣溫度降低使發(fā)熱元件上的電流增大時，為了保持電橋平衡，溫度補(bǔ)償電阻上的電流相應(yīng)增大，以保證發(fā)熱元件溫度與溫度補(bǔ)償電阻之差保持恒定，使流量計測量精度不受進(jìn)氣溫度變化的影響。三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計介紹傳感器主要組成包括惠斯登電橋電路、電橋自動平衡電路、功率放大電路、微處理器電路(含AD轉(zhuǎn)換)、DA轉(zhuǎn)換電路以及信號輸出電路等，智能空氣流量計電路結(jié)構(gòu)框圖如圖：主體電

9、路采用了反饋電路，工作時，當(dāng)熱膜電阻與空氣之間的熱交換發(fā)生變化時，熱膜溫度發(fā)生改變，引起熱膜電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，并且空氣質(zhì)量流量越大，被帶走的熱量也就越多，其電阻值減小越多。因此電路中輸入到運(yùn)算放大器的電壓也隨之而變，由于輸入到運(yùn)算放大器的電壓變化將引起反饋放大器電壓發(fā)生改變，結(jié)果通過熱膜的電流隨之改變，直到熱膜的溫度恢復(fù)原值，惠斯登重新恢復(fù)平衡。這時供給電橋的電壓己經(jīng)發(fā)生了變化，因此電橋電壓的變化能反映空氣的流量的變化，這個橋路電壓作為測量空氣流量的電信號引入帶有AD轉(zhuǎn)換功能的微處理器電路進(jìn)行處理，將電橋輸出電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后經(jīng)過線性化處理后，輸出電壓信號，成為輸出信號供Ecu作

10、為判斷信號使用。11 微處理器的選擇本研究選用Freescale的Mc9s08QD4汽車級芯片作流量計的微處理器，主要基于如下原因：(1)芯片內(nèi)含8位AD轉(zhuǎn)換器，能滿足發(fā)動機(jī)控制精度要求。該設(shè)計所適用的發(fā)動機(jī)進(jìn)行空燃比計算時，若采用雙區(qū)或多區(qū)燃燒模型對燃燒過程進(jìn)行循環(huán)計算，準(zhǔn)確性高但計算量大，所以只用作離線計算，而在實際運(yùn)行時筆者采用對實驗數(shù)據(jù)的擬合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，因此選擇與其運(yùn)算與處理要求相適應(yīng)的處理器。(2)作為一種經(jīng)濟(jì)型微處理器，其內(nèi)含HCS08系列內(nèi)核、時鐘以及總線接口與流量計的需求接口和功能相適應(yīng)?？纱蟠鬁p小系統(tǒng)設(shè)計的外圍接口，同時不至于引起處理器接口的浪費(fèi)4。(3)該芯片具有應(yīng)用

11、于汽車的背景而且體積非常小，能耐受并適應(yīng)流量計的特殊使用環(huán)境。12 微處理器與信號輸出電路微處理器與信號輸出電路如圖2所示，經(jīng)過第一級差動放大器的電橋輸出信號被輸入到微處理器的兩個AD轉(zhuǎn)換接口。微處理器對信號進(jìn)行計算和處理后輸出給DA轉(zhuǎn)換器。DA轉(zhuǎn)換器按照時序?qū)?shù)字量改變?yōu)槟M量，與其相連的運(yùn)算放大器對來自D從轉(zhuǎn)換器的電壓信號進(jìn)行放大產(chǎn)生一定大小的電流輸出，利于保證流量計與Ecu之間信號傳輸?shù)慕研?。圖2微處理器以及信號輸出外圍電路13 電橋自動平衡電路電橋自動平衡電路如圖3所示，當(dāng)熱膜電阻與空氣之間的熱交換發(fā)生變化時，熱膜溫度發(fā)生改變，引起熱膜電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。此時電橋不再處于平衡狀態(tài)，

12、輸出電壓也改變。改變后的電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器的多級放大后控制電橋的輸入電壓，使通過熱膜電阻的電流隨著變化，直到熱膜的溫度恢復(fù)原值，惠斯登重新恢復(fù)平衡。這時電橋輸出電壓與通過熱膜電阻的流體質(zhì)量流量相關(guān)，通過測量電橋輸出電壓，可經(jīng)換算得出空氣的質(zhì)量流量。電橋自動平衡電路的輸出電壓信號進(jìn)入功率放大電路，由其變?yōu)殡娏餍盘柟┙o惠斯登電橋的輸入端。于輸入信號含同相電壓，第一級采用差動放大，以提高抗共模干擾能力。為了提高電橋輸出端的增益，輸出端的電壓采用了多級放大的方式，通過配合不同反饋電阻值，可以調(diào)節(jié)輸出端的電壓增益的大小。四、熱膜與進(jìn)氣流的溫度差，在流量計可保持120恒定?？諝饬鬟^時所需的加熱電流即為流過

13、的空氣質(zhì)量的度量。由于測定的加熱電流無需校正， 它可以直接作為進(jìn)入空氣的質(zhì)量流量，故測量的誤差較小，可保證±2%的范圍內(nèi)。 為了保證進(jìn)氣流動均勻地流入進(jìn)氣測量管中， 在流量計的入口處的防護(hù)柵格可減少流量計中的熱膜受污，也可使熱膜式傳感器減少機(jī)械損傷。這種空氣質(zhì)量流量計的流量量程比約為1：60。設(shè)計要求在最大流量計測時，進(jìn)氣壓力的損失不能減小發(fā)動機(jī)的充氣效率。由于熱膜式流量計能滿足精度要求，且結(jié)構(gòu)簡單，抗沾污能力強(qiáng)，價格便宜，因此在汽車上應(yīng)用較多。五、近年來，流量傳感器得到了迅速發(fā)展，傳感器的功能得到很大的提高，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用由于MEMS工藝尺寸小、強(qiáng)度

14、低，必須通過封裝來提高其機(jī)械強(qiáng)度，來保護(hù)芯片的微結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)和電氣連接因此，流量傳感器只有進(jìn)行封裝以后才能實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的實際應(yīng)用，封裝是實現(xiàn)流量傳感器的應(yīng)用和促進(jìn)其發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，封裝研究對于實現(xiàn)流量傳感器的商業(yè)化和促進(jìn)流量傳感器的進(jìn)一步發(fā)展都具有重 要意義。封裝效果良好，安全可靠的話可以保證熱膜式流量傳感器的有效應(yīng)用參考文獻(xiàn)：1. 李飛標(biāo).陳永良.郭斌 汽車空氣流量計性能測試臺的設(shè)計期刊論文-工業(yè)控制計算機(jī)2008(7)2. 高德榮 BOSCH HFM5型熱膜式空氣流量計故障診斷期刊論文-汽車維修2007(7)3. 張興安.ZHANG Xing-an 捷達(dá)王熱膜式空氣流量計的檢測及故障診斷期刊論文-汽車電器2008(6)4. 陸敏恂.林永佳.周愛國.周全.基于PSpice的熱式空氣流量計發(fā)熱電阻模型期刊論文-中國工程機(jī)械學(xué)報2009,7(4)5. 王平福.邊耀璋.蹇小平.畢利格.哈里德 麻電噴發(fā)動機(jī)空氣流量計常用工況故障特征研究期刊論文-科技咨詢導(dǎo)報200