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热线式空气流量计的基本原理、设计、试验和使用等方面的问题

电控发动机的吸入空气量可根据节气门开度或进气管压力和发动机转速基本推算出来,吸入空气量的检测一般采用速度密度、节流速度和质量流量三种方式。速度密度方式是利用发动机的转速和进气管压力推算出每一循环吸入发动机的空气流量,再根据该流量算出汽油的喷射量,精度容易控制,但由于进气管压力与空气流量呈非线性关系,在检测过渡工况下的空气量时,需要进行修正;节流速度方式是利用节气门的开度和发动机的转速,推算每一循环吸入发动机的空气量,由于是直接测量节气门开度的角位移,所以过渡工况的响应性能好,但吸入的空气量与节气门开度和发动机转速间是复杂的函数关系,空气量难以精确测量;质量流量方式是利用流量计直接测量吸入的空气质量,将空气质量转换成电信号,输送给ECU,由电脑根据空气质量计算出与之相适应的喷油量,以控制混合气空燃比的最佳值。因此,研制一种性能优良的空气质量流量计是本文的主要目的。

                                  

  1用热线测量空气流量的基本原理

  热线式空气流量计是属于空气质量流量计的一种。热线式空气流量计基本测试的量是从热线向气流散失的热量。对定温、定压气流来说,此散热量通常以速度来对应说明。所以,热线式空气流量计也是一台热线式风速计。

  对于定温不可压缩流场(T=C,ρ=C)而言,如果已测得该流场的流速ω,那么通过单位面积的流体流量q是已知的(q=ρω)。把热线作为惠斯登电桥四个臂之一置于流场中,当通过电流对热线加热时,由于气流对热线进行对流冷却,且其冷却能力随流速的增大而加强。如果采用伺服机构始终保持热线的温度恒高于气流某固定值,则可通过流经热线的电流值测得气流速度。此即热线式空气流量计用恒温法(恒电阻法)测量空气质量流量的基本工作原理[1]。

2热线式空气流量计

图1所示为热线式空气流量计的基本原理。图中可见,由热线Rs、温度补偿电阻R1、电阻R2、R3和伺服放大器A组成惠斯顿电桥电路,其中,Rs=R1=nR2,R2=R3。热线Rs装在取样管中,温度补偿电阻R1也装在取样管中,但必须在热线Rs上游的气流中。由于使用惠斯顿电桥测得是桥顶电压E,而不是所示的流过热线的电流I。按金氏定理,可改写为,式中A、B是性质与a″、b″相同的常数,指数n取0.5。

  2.1恒温反馈控制

  恒温反馈控制的目的是要保证通以电流I的热线温度Tω与冷却热线的流体温度Tf之差为定值,即Tω-Tf=C。一般情况下应控制Tω-Tf=100℃。如图1所示,当加有电流的热线Rs置于流场当中时,由于流体流动关系,热线温度发生改变,这种改变立即导致电桥偏离平衡,从而输出不平衡信号。这个不平衡信号经放大后反馈到电桥中,以抑制热线的温度改变,补偿热线电阻的变化,从而使电桥恢复平衡。

  恒温反馈控制全过程分解如下:当空气流量增加时,热线变冷,热线电阻R3降低, 1点的电压随之降低; 1点电压的降低引起了伺服放大器负端电压增加,从而使E12增加;E12的增加意味着电桥电压E3的增加;E3的增加导致通过热线的电流Is增大;Is的增大意味着重新加热敏感元件,从而使1点电压获得升高,结果减少了E12,使电桥恢复平衡。值得注意的是,上述过程是瞬时发生的,所以流体流量的增加就好像是电桥输出电压E的增加,而流体流量的降低也等于是电桥输出电压的降低。

  2.2温度补偿

这种补偿的基本思想就是人为地或自动地改变温度补偿电阻R1的温度,以便对相同的流体流量给出与温度变化无关的相同输出,或者说温度补偿电阻的温度总是被调整到使空气流量计的输出与温度无关的温度上。图2所示为电阻R1温度补偿。将电桥的一臂R1改成串联并联电路。其中的RT为对温度敏感的元件,它被安放在与热线Rs相同的流场中,并且与热线具有相同的温度系数。在制造上要求RT做成具有较大面积的线圈。使得电桥电流通过时,不至于被加热到对流量敏感的地步,这样,当Rs、RT的值已知时,就可以推算出电压保持恒定的串联电阻Rs和并联电阻Rb。

  2.3敏感元件

  热线式空气流量计有热线和温度补偿电阻二个敏感元件。敏感元件可用钨、铂、铂铑、铂铱等材料制作。这里采用纯度为99.9%,直径为0.1mm的铂丝制作热线Rs,用同样材料的铂箔绕在陶瓷骨架上作温度补偿电阻RT。

  3热线式空气流量计的应用

  热线式空气流量计应用十分广泛。其主要应用是可大量用于电控发动机检测进气的质量流量,以使ECU根据该进气量算出喷油器的喷油量,并且其性能均优于现有的其它空气流量计。另外,若配以二次仪表,可用于多种场合的空气质量流量的测定。

  3.1作车用空气流量计用

图3所示为热线式空气流量计与ECU的连接。流量计的电子控制线路板包括电桥平衡电路,烧净电路和怠速混合气调节电位器,电子控制的大部分元件都配置在一块集成电路板上,其上一般设置六脚插头与ECU相连接,用以传递信息。当电控发动机和使用热线式空气流量计时,发动机的回火会使热线上有积碳附着,热线上有积碳附着时,会使灵敏度降低,导致燃油喷射量控制失常。因此在启动或发动机熄火的1~2s期间,设计使热线产生800~1000℃的高温,将附着在热线上的积碳烧掉,使热线流量计的作用能维持正常。该任务就由上述的烧净电路完成[2]。

  3.2作通用空气流量计用

  图4所示为空气流量计的输出特性,而且E=,式中C为与流量计结构、热线材料等有关的常数,Q为空气的质量流量(kg/h),E为桥顶电压(V)。当Q<10kg/h时,热线的灵敏度很高;在空气流量增大时,热线的灵敏度降低。为了便于给通用空气流量计配以二次仪表,需要对图4中的曲线1作线性处理。

  4实验结果

  把研制的热线式空气流量计和涡街流量计一起装在经改装后的气道试验台上进行比较试验。为保证测试误差尽可能小,把气流的雷诺数控制在2之间,使涡街流量计测得的流量与涡流频率成线性关系。试验结果如图4所示。曲线1是热线式空气流量计测得的流量,曲线3是涡街流量计测得的流量,两者十分接近 

 本文介绍了热线式空气流量计的基本原理、设计、试验和使用等方面的问题。可以得出如下结论:

  (1)在电喷发动机汽车上可直接进行质量流量检测,不用对大气的压力和温度变化作修正。

  (2)在作通用流量计时,应在流量计的量程范围内作线性化处理。

  (3)在涡街流量计要求的雷诺数范围内,热线式流量计与涡街式流量计的测量结果具有良好的一致性。

点击次数:  更新时间:2018-09-17  【打印此页】  【关闭

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