车用空气质量流量计方案

专题研发系列之三第1页共10页联系电话：[phone]车用空气质量流量计方案作者：银色航线2008-12-3于北京Mail：[e-mail]文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页联系电话：[phone]目录l空气流量计的种类及基本原理l热丝流量计的特点l电路原理图l工作原理l关键元件及生产工艺1.热电阻的选择2.温度补偿电阻的选择3.补偿元件的选择l影响产品性能的因素l产品一致性l产品的校正l产品的稳定性l试验方法及设备l试验数据1.标准曲线2.试验曲线3.拟合后的曲线l数学模型的建立l统计学l单片机编程PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页联系电话：[phone]空气流量计的种类及基本原理气体质量流量传感器的应用范围非常广泛种类也很多：1、锅炉、裂解炉用燃料气质量流量测量控制；2、石油化工、采油、火炬气质量流量测量；3、燃烧炉用空气质量流量测量控制;燃汽轮机氢气质量流量和控制；4、食品加工及饮料气体质量流量和控制；5、水厂氯气质量流量控制；6、生产半导体时高纯度气体质量流量测量；7、催化剂、化学添加剂质量流量测量；8、泵的保护控制、泵密封、润滑油池泄漏检测；9、空调系统控制；10、仪表用空气、工艺空气、氮气等质量流量测量11、电喷汽车发动机，汽缸进气测量的应用按结构原理可分为翼板式、热丝式、卡门涡旋式及电压位计式等几种，按信号输出类型又分为数字式和模拟式两种。卡曼涡旋式空气流量传感器活门式空气流量传感器的的结构。压力传感器的空气流量传感器。热丝式空气流量传感器此类似的还有热膜丝空气流量传感器活门式空气流量传感器的的结构。活门式空气流量传感器装在汽油发动机上，安装于空气滤清器与节气门之间，其功能是检测发动机的进气量，并把检测结果转换成电信号，再输入微机中。该传感器是由空气流量计与电位计两部分组成，其结构图见图。先看空气流量传感器的工作过程。由空气滤清器吸入的空气冲向活门，活门转到进气量与回位弹簧平衡的位置处停止，也就是说，活门的开度与进气量成成正比。在活门的转动轴还装有电位计，电位计的滑动臂与活门同步转动，利用滑动电阻的电压把测量片的开度转换成电信号，然后输入到控制电路中。卡曼涡旋式空气流量传感器卡曼涡旋式空气流量传感器为了克服活门式空气流量传感器的缺点，即在保证测量精度的前提下，扩展测量范围，并且取消滑动触点，有开发出小型轻巧的空气流量传感器，即卡曼涡旋式空气流量传感器。卡曼涡旋是一种物理现象，涡旋的检测方法、电子控制电路与检测精度根本无关，空气的通路面积与涡旋发生柱的尺寸变化决定检测精度。又因为这种传感器的输出的是电子信号（频率），所以向系统的控制电路输入信号时，可以省去AD转换器。因此，从本质来看，卡曼涡旋式空气流量传感器是适用于微机处理的信号。这种传感器有以下三个优点：测试精度高，可以输出线形信号，信号处理简单；长期使用，性能不会发生变化；因为是检测体积流量所以不需要对温度及大气压力进行修正。检测原理：野外的架空电线被风吹时会呜呜发出声响。风速越高声音频率越高，这是因为气流流过电线后形成涡旋所致，液体、气体等流体中均会发生这种现象，利用这一现象可以制成涡旋式流量传感器。在管道里设置柱状物之后形成两列涡旋，根据涡旋出现的频率就可以测量流量。因为涡旋成两列平行状，并且左右交替出现，与街道两旁的路灯类似，所以有涡街之称。因为这种现象首先为卡曼发现，所以也叫作卡曼涡街超声波式卡曼涡旋空气流量传感器超声波空气流量传感器设有两个进气PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页联系电话：[phone]通道，主通道和旁通道，进气流量的检测部分就设在主通道上，设置旁通道的目的是为了能够调整主通道的流量，以便使主通道的检测特性呈理想状态。也就是说，对排气量不同的发动机来说，通过改变空气流量传感器通道截面大小的方法，就可以用一种规格的空气流量传感器来覆盖多种发动机。主通道上的三角柱和数个涡旋放大板构成卡曼涡旋发生器。在产生卡曼涡旋处的两侧，相对地设置了属于电子检测装置的超声波发送器和超声波接受器，也可以把这两个部件归入传感器，这两个电子传感器产生的电信号经空气流量传感器的控制电路（混合集成电路）整形、放大后成理想波形，再输入到微机中。为了利用超声波检查涡旋，在涡旋通道的内壁上都粘有吸音材料，目的是防止超声波出现不规则反射。这种空气流量传感器的流量检测的原理电路如图，当有卡曼涡旋产生时，就随着速度及压力的变化，流量检测的基本原理就是利用其中速度的变化。空气流量传感器输出至控制组件的信号波形如图。信号为方波、数字信号。进气量越多，卡曼涡旋的频率越高，空气流量传感器输出信号的频率就越高.压力变化检测型卡曼涡旋式空气流量传感器涡流是从涡旋发生器两端交替发生的，因此涡旋发生器两端交替产生的，因此涡旋发生器的两端的压力也是交替变化，这种压力的变化通过涡流发生器下游侧锥型柱上的导压孔引导到反光镜腔中，反光镜腔中的反光镜是用很细的张紧带张紧的，所以，张紧带上出现扭曲与振动，此外，利用板弹簧给张紧带加上适当的张力，由此，除振动与涡旋压力之外的压力变化等难以造成影响，从而可得到稳定的扭转与振动。因涡旋出现而形成的压力经导压孔到反光镜腔中，与反射腔中的压力变化同步、反光镜在张紧带上形成扭转、振动。反光镜非常轻巧，即使在低流量、压力变化非常小的状况下，也会动作。在反光镜的上部，相应配置有发光二极管与光敏三极管等构成的光传感器，二极管发出的光经反光镜反射，并射到光敏三极管上时，就会变成电流，经波形电路后输出。传感器的特性：当在30秒内使节气门从关闭到全打开，即快速打开时，这种传感器的响应特性如图所示，图下的曲线为经F/V变换后的卡曼涡旋空气流量传感器的输出特性，图上的曲线为节气门的开度特性，由图可知对节气门中流量的变化，空气流量传感器都能准确地反映出来（1~45毫秒）空气流速与频率关系：在非常宽的流速范围内空气流速与涡旋频率之间呈现直线关系。带微差压力传感器的超声波型卡曼涡旋空气流量传感器：卡曼涡旋空气流量传感器的特点：精度高、寿命长，可靠性高。但是，高性能的发动机即进一步降低油耗、提高输出功率的发动机还要求扩展进气量的检测范围，但是老式超声波型卡曼涡旋空气流量传感器在高流量的区域将产生过调制的现象，受这一因素的影响，这种传感器有计量范围不足的缺点。为此，又研制出带微差压力传感器的空气流量传感器。1、采用压力损耗小的涡旋发生器：涡旋发生器的功能是在整个流量范围内形成稳定的涡旋。2、压力损耗较小的管道结构3、测量微小的涡旋压力4、带微差压力传感器的空气流量传感器热丝式空气流量传感器的结构：作为发热体的热丝是用直径为70um的铂丝制成的，张紧装于管道内部，设计时就使其比进气温度高120度。在温度传感器还有空气温度补偿电阻。它是由氧化铝陶瓷基片印刷的铂膜而形成的，它是于精密电阻一起设置在管道内。为防止附着在热丝上的灰尘等造成性能下降，设有灰尘燃烧电路，在点火开关置于断开档时，在一定的条件下，将热丝加热到1000度、1秒，烧掉灰尘等附着物。因为是用铂丝做发热元件，所以响应性好。与此类似的还有热膜丝空气流量传感器（H/F），与H/W传感器类似，H/F也是采用平面形薄膜电阻器作为发热元件。制造方法是：在氧化铝基片上蒸发出的铂的薄膜，通过图形制作形成梳状电阻，再调节到所要求的电阻值，此后，作成保护膜，再接好电极引线。与热丝式相比，热膜式发热元件的响应性稍差，但因为它是通过图形法制成的，所以电阻值较高，消耗的电流小，可以做到小型、轻巧。此外，因其发热元件是平面型的，从上游观察时，可设法使其投影面积做的很小，这样的设置在计量通道内时就可以减少附着物，即提高抗污性。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页联系电话：[phone]热丝式空气质量流量计工作原理1、原理作为发热体的热丝是用直径为70um的铂丝制成的，张紧装于管道内部，设计时就使其比进气温度高120度。在温度传感器还有空气温度补偿电阻。它是由氧化铝陶瓷基片印刷的铂膜而形成的，它是于精密电阻一起设置在管道内。为防止附着在热丝上的灰尘等造成性能下降，设有灰尘燃烧电路，在点火开关置于断开档时，在一定的条件下，将热丝加热到1000度、1秒，烧掉灰尘等附着物。因为是用铂丝做发热元件，所以响应性好。热丝式气体质量流量传感器是利用热耗散的原理制作的。当有气体流过热敏电阻表面时，会带走一部分热量，引起电阻阻值的变化，这个变化量与气体的流速和温度有关。2、结构热丝式气体质量流量传感器的结构理论上如图（a）所示。一般，为了减少加热电阻在纵向的热传导，提高测量精度，在电阻引线上采用热传导性能差的金属材料（不锈钢），电阻骨架采用比热小的陶瓷材料甚至空心结构以减小热丝的热惯性。图（b）中有一个加热电阻（热丝）。在气体流入方向上放置了一个环境测温电阻（冷丝），它与热丝和外电路的两个固定电阻构成测量电桥，主要用热丝电阻的变化来反映流速。热丝电阻与外电路的固定阻值的电阻形成惠斯登测量电桥。当流体流动时，电桥失去平衡,输出一个直流电压信号。当被测介质的比热恒定时，其输出的直流电压信号就与被测介质的质量流量成比例关系。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页联系电话：[phone]电路原理图图c为简单的测量电桥RH为加热电阻（热丝），当有空气流过时RH上的热量被空气带走。RH电阻发生变化V有相应的电压变化。但当环境温度发生变化时V也会发生变化，所以此电路只能测量恒温下的流量。图（d）有等温差电桥测量电路RC是在电桥中起到温度补偿作用的电阻（冷丝），一般它具有和热丝一样的温度系数的材料制造。当电桥平衡时RH和HC的温度差是恒定的T0,为了保证测量的灵敏度T0一般设计在100度到180度之间。环境温度Trc=Trh-T0前面提到RH的变化量与气体的流速和温度有关。空气质量也和空气温度有关。其函数关系计算复杂，总之必须通过补偿才能抵消温度对输出的影响。下面只定性分析一下其关系当温度恒定时：流量↑、带走热量↑、RH温度↓RH电阻↓V1↑V0↑RH电流↑要达到电桥平衡RH电阻要恢复到原来温度（原来电阻值）、输出V1↑当空气流速恒定时：环境温度↑、RC↑、V2↓、V0↑、电桥平衡条件必然使RH↑使RH/R1=RC/R2、所以RH上电流↑RH温度↑并且与RC温度的温差不变。很容易看出环境温度↑、V1↑与实际要求不符。理论要求：是当空气流速恒定时温度变化输出应该V1恒定。所以电路必须补偿后才有实用应用价值。见图（e）未补偿曲线明显冷丝比热丝变化斜率大。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页联系电话：[phone]见图（f）补偿后冷丝与热丝斜率相吻合关键元件及生产工艺1.铂电阻热丝热丝是用直径为70um的铂丝制成国内有些车型是采用Pt20电阻，如0280218、、系列。因原厂产“探头”（BOSCH）是专利产品，只能用铂电阻Pt20代用。只要反应时间小于20ms就可代用，沃尔沃的“热线流量计”用0.07mm铂丝。还有“福特”、5WK9。国内有同类产品可用，也有用金属钨丝做热丝电阻的。要认真研究流量计的类型和性能再定论。2.铂电阻冷丝空气温度补偿电阻。它是由氧化铝陶瓷基片印刷的铂膜而形成的日产系列探头有的是用双引头铂丝绕制的Pt20。总之其温度特性和热丝接近就可以通过电路补偿。3.补偿曲线方法。1补偿电阻激光修正电阻值2软件计算补偿法PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页联系电话：010