熱膜式空氣流量計的測量技術

RT—溫度補償電阻（進氣溫度傳感器）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—控制電路當空氣氣流流經發(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換為電壓信號US的變化。輸出電壓與空氣流量之間近似于4次方根的關系。信號電壓輸入ECU后，ECU便可根據信號電壓的高低計算出空氣質量流量QM的大小。當發(fā)動機怠速時，其節(jié)氣門關閉或接近全閉，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，當發(fā)動機負荷增大時，由于空氣流速快，進入的空氣量多，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。控制單元ECU根據信號電壓即可計算出空氣量。2.2溫度補償原理熱膜式質量空氣流量計,可以通過電路硬件補償環(huán)境溫度對測量結果精度的影響,從而實現了對質量空氣流量的直接測量。當進氣溫度變化時，發(fā)熱元件的溫度就會發(fā)生變化，測量進氣量的精度就會受到影響。設置溫度補償電阻（溫度計）后，從電橋電路上可以看出，當進氣溫度降低使發(fā)熱元件上的電流增大時，為了保持電橋平衡，溫度補償電阻上的電流相應增大，以保證發(fā)熱元件溫度與溫度補償電阻之差保持恒定，使流量計測量精度不受進氣溫度變化的影響。三、系統(tǒng)硬件電路設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A／D轉換)、D／A轉換電路以及信號輸出電路等，智能空氣流量計電路結構框圖如圖：主體電路采用了反饋電路，工作時，當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)生相應的變化，并且空氣質量流量越大，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算放大器的電壓也隨之而變，由于輸入到運算放大器的電壓變化將引起反饋放大器電壓發(fā)生改變，結果通過熱膜的電流隨之改變，直到熱膜的溫度恢復原值，惠斯登重新恢復平衡。這時供給電橋的電壓己經發(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A／D轉換功能的微處理器電路進行處理，將電橋輸出電壓信號轉換為數字信號，然后經過線性化處理后，輸出電壓信號，成為輸出信號供Ecu作為判斷信號使用。1．1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)芯片內含8位A／D轉換器，能滿足發(fā)動機控制精度要求。該設計所適用的發(fā)動機進行空燃比計算時，若采用雙區(qū)或多區(qū)燃燒模型對燃燒過程進行循環(huán)計算，準確性高但計算量大，所以只用作離線計算，而在實際運行時筆者采用對實驗數據的擬合數學模型進行計算，因此選擇與其運算與處理要求相適應的處理器。(2)作為一種經濟型微處理器，其內含HCS08系列內核、時鐘以及總線接口與流量計的需求接口和功能相適應?？纱蟠鬁p小系統(tǒng)設計的外圍接口，同時不至于引起處理器接口的浪費4。(3)該芯片具有應用于汽車的背景而且體積非常小，能耐受并適應流量計的特殊使用環(huán)境。1．2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A／D轉換接口。微處理器對信號進行計算和處理后輸出給D／A轉換器。D／A轉換器按照時序將數字量改變?yōu)槟M量，與其相連的運算放大器對來自D從轉換器的電壓信號進行放大產生一定大小的電流輸出，利于保證流量計與Ecu之間信號傳輸的健壯性。圖2微處理器以及信號輸出外圍電路1．3電橋自動平衡電路電橋自動平衡電路如圖3所示，當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)生相應的變化。此時電橋不再處于平衡狀態(tài)，輸出電壓也改變。改變后的電壓經過運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原值，惠斯登重新恢復平衡。這時電橋輸出電壓與通過熱膜電阻的流體質量流量相關，通過測量電橋輸出電壓，可經換算得出空氣的質量流量。電橋自動平衡電路的輸出電壓信號進入功率放大電路，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，可以調節(jié)輸出端的電壓增益的大小。四、熱膜與進氣流的溫度差，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的空氣質量的度量。由于測定的加熱電流無需校正，它可以直接作為進入空氣的質量流量，故測量的誤差較小，可保證±2%的范圍內。為了保證進氣流動均勻地流入進氣測量管中，在流量計的入口處的防護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械損傷。這種空氣質量流量計的流量量程比約為1：60。設計要求在最大流量計測時，進氣壓力的損失不能減小發(fā)動機的充氣效率。由于熱膜式流量計能滿足精度要求，且結構簡單，抗沾污能力強，價格便宜，因此在汽車上應用較多。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，在工農業(yè)生產和國防工程中得到了越來越廣泛的應用．由于MEMS工藝尺寸小、強度低，必須通過封裝來提高其機械強度，來保護芯片的微結構、電路結構和電氣連接．因此，流量傳感器只有進行封裝以后才能實現穩(wěn)定可靠的實際應用，封裝是實現流量傳感器的應用和促進其發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，封裝研究對于實現流量傳感器的商業(yè)化和促進流量傳感器的進一步發(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用．參考文獻：

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