热膜式空气流量计的测量技术

1、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 (Air Flow Sensor )又称 为空气流量计 AFM(Air Flow Me

2、ter )，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o图1热膜式&FS的结构图2热膜式AFY内部元件示意图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

3、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

4、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：式中：K为常数；入为空气热导率；卩为空气黏 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：由式（1）和式（2

5、）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：式中：，系数KT值与空气温度TG有关，其温度系数为 （0.15%0.18%） / C;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

6、加 热电流（50120mA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=120C）。图3 热膜式AES电路原理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UCG-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 （120C）。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

7、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, ECL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

8、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

9、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：閨1寶能空壮渝址计电路结钩乖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

10、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Mc9sO8QD汽车级 芯片作流量计的微处理器，主要基于如下原因： 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

11、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

12、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，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

13、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 C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，可保证土 2%勺范围内。 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

14、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 MEM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卜工业控制计算机2008 (7)2. 高德荣BOSCH HFM5型热膜式空气流量计故障诊断期刊论文卜汽车维修2007(7)3. 张兴安.ZHANG Xing-an 捷达王热膜式空气流量计的检测及故障诊断期刊论文卜汽车电器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卜中国工程机械学报2009,75. 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卜科技