您现在的位置 : 首页  技术文章 > 企业新闻

企业新闻

一种具有环境温度补偿功能和具体实现电路的新型热线式空气流量计

        针对传统型热线式空气流量计的测量原理,分析和推导出当环境温度变化时对流量测量结果产生偏移的原因;提出了一种环境温度的补偿方法和具体的实现电路;并对经环境温度补偿后的一种新型热线式空气流量计的理论输出和实际输出进行了计算与比较。理论计算和试验的结果表明,经环境温度补偿后,这种新型热线式空气流量计在大范围环境温度变化下仍具有较高的测量精度

  在汽车电子控制燃油喷射装置上,空气流量传感器是决定系统控制精度的重要部件之一。空气流量传感器又称空气流量计,是用来检测发动机进气量大小的传感器,并将进气量大小转变成电信号输入电子控制单元ECU,以供ECU计算喷油量和点火时间[1]。

  进气量的测量一般来说可分为体积流量测量和质量流量测量。质量流量型空气流量计有热线式和热膜式两种。热线式和热膜式空气质量流量计除了在结构上存在差别外,其工作原理基本上是一样的。质量流量型流量计虽然在响应速度上比体积流量型流量计要快,但它也存在着一个很大的缺点,即是在没有气流时,随着环境温度的变化,流量计的输出也会变化,从而向ECU输入一个错误的气流量信号。

  这就是通常所说的环境温度偏移现象。这种现象严重影响着同种质量流量型空气流量计在不同纬度地区和不同季节条件下的实际使用。目前,德国Bosch公司所开发的HFM5热膜式空气质量流量计就具有环境温度补偿功能,使得这种流量计适应环境温度变化的能力和测试精度都大为提高。然而,该流量计的环境温度补偿电路与结构复杂,成本加大。相比之下,结构简单与成本低廉的热线式空气质量流量计一般不具有环境温度补偿功能,当环境温度大幅变化时,其测量的精度受到了影响,因此,它的应用范围受到了限制。针对热线式空气质量流量计在原理应用中存在的上述问题,本文分析和推导了当环境温度变化时对流量测量结果产生偏移的原因,提出了一种环境温度补偿的简单方法,给出了具体的实现电路,并对经环境温度补偿后的一种新型热线式空气质量流量计的理论输出和实际输出进行了对比分析与计算。

  1 流量计的测量原理

  如图1所示,热线式空气流量计是在测量管路中加入2个金属铂电阻,分别布置在一个惠斯顿电桥的两臂,一个铂电阻加入较小的电流(在4 mA以下,不会引起电阻发热),用于测量被测流体温度,称为测温电阻,也叫冷丝;另一个铂电阻通入较大电流(一般在50 mA以上),用于测量被测流体的速度,称为测速电阻RH,也叫热丝[2]。

  根据传热学原理,在强制对流的冷却作用下,发热元件在单位时间里散失的热量H、发热元件与空气的温度差ΔT是成正比关系的[3],如下式所示:

  H = hSΔT

  式中:h是热丝的热导率;S是热丝的表面积。而热导率是一个与空气、热丝有关的参数。另一方面,在热平衡状态下,散热量与发热量相等,

  式中:K为常数,而KT是随着温度的升高而增大的,其温度系数为0.15~0.18%/℃。这种温度漂移可通过对电桥上电阻的配置来进行抵消,即使ΔT/RH/随温度的升高而减小。这样,就保证了RH(KKTΔT)为常数。于是,质量流量qm与加热电流I之间就近似成四次方关系。通过测量加热电流I,就可以计算出空气的质量流量了[4]。

  2 流量计的温度偏移

  根据以上所分析的测量原理,热线式空气质量流量计的温度控制电路一般如图2所示。

  流量计是以R3上的电压作为输出的。从图2中可以看出,惠斯顿电桥要保持平衡,则要求RH=R3(R1+RT)/R2成立[5]。这里,R1、R2、R3都是精密电阻,其阻值是固定的,并不随温度的变化而发生变化。当环境温度升高时,RT变大,故RH也必须增大才能保证电桥的平衡,而RH的大小是由通过其上的加热电流I来决定的,故I将随着环境温度的升高而增大,如此,在并没有气流的情况下,只要环境温度发生变化,加热电流I也将发生变化,R3上的电压,即流量计的输出也将发生变化,此时ECU会误以为有气流通过而发出错误的控制信号,进而影响整个控制系统的控制精度。这就是所谓空气质量流量计温度偏移现象。

  3 温度偏移的补偿

  为了消除这种温度偏移现象,必须对上述流量计的测量电路做相应的改进。目前,由德国BOSCH公司生产的HFM5型热膜式空气质量流量计就带有一种环境温度补偿电路。这种流量计不是R3以上的电压作为流量计的输出,而是在RH的旁边增加了四个金属热电阻。这四个热电阻RH和RT以及被集成在一块硅片上。四个金属热电阻组成一个测量电桥,电桥两臂的电压差经放大后作为流量计的输出。其测量电路如图3所示[6]。

  HFM5型热膜式空气质量流量计不管在测量精度还是反应速度上都比一般热线式空气质量流量计要高,特别是它的测量电路消除了流量计的温度偏移,更提高了流量计的测量精度。但因其传感单元是由金属膜电阻布置在微硅片上而组成的,故其加工工艺很复杂,这样就大大增加了流量计的生产成本。目前市场上HFM5型热膜式空气质量流量计的价格比一般热线式空气质量流量计的约高出三分之二左右。在分析了热线式空气质量流量计温度偏移规律的基础上,通过引入一个同变化规律的电压,就可以用这个电压值来抵消偏移值,从而设计了一种低成本,高性能的具有环境温度补偿功能的热线式空气质量流量计。如前所述,热线式流量计是以R3上的电压作为输出的,故随着环境温度的升高,其温度偏移值为ΔU=R3ΔI。为了消除这个偏移值,引入一个偏移温度补偿电路。这个电路是由一个惠斯顿电桥和一个运算放大器组成[7],如图4所示。

  在惠斯顿电桥的两臂上反对称布置有两个NTC热敏电阻Rk1和Rk2,由于热敏电阻的阻温特性是非线性的,故必须对其进行线性化处理,这里用的是串并联法。在-30℃时,电桥处于平衡状态,其两臂电压相等,当温度升高时,平衡态被破坏,两臂电压的差值经一个差分放大电路放大后作为温度补偿电压[8],R3与上的电压进行比较后作为流量计的输出电压。由试验可知,热丝的加热电流和其温度之间的关系如图5所示。由这条曲线就可以求得RH当处于某一确定温度时流过R3的电流,从而求得R3上的电压值以及温度变化时电压的变化值。当温度控制电桥上的电阻确定后,R3上电压的变化值ΔU与温度T之间的关系如图6中曲线所示。

 设NTC热敏电阻经线性化后的温度系数为,电桥上固定电阻的阻值为R,电桥工作电压为5 V,放大倍数为K,则易得电桥的输出电压为:

  显然,如果适当配置各个电阻的阻值,让U补-T曲线和ΔU-T曲线相同,则通过一个减法电路就可以消除流量计的温度偏移了。图7就是笔者所开发的新型热线式空气质量流量计上U补-T的关系曲线图。

  可以看出,这两条曲线是重合的。也就是说,流量计的温度偏移得到了补偿

  4 试验结果及分析

  图8即是依据上述温度补偿原理所设计的一款新型热线式空气质量流量计的控制电路板。对所设计的这一新型热线式空气质量流量计进行静态试验,就是将该流量计放置在密闭环境中,并使密闭环境的温度从-30℃变化到+100℃,每变化10℃则测量一次流量计的输出。测试结果与理论计算值如表1所示。

从试验结果来看,所开发的新型热线式空气流量计的输出在允许误差范围内已经达到了设计要求,而且流量计的响应速度也未受影响。

  在找出热线式空气流量计温度偏移规律的基础上,通过引入一种温度补偿电路,成功地消除了环境温度变化所导致的流量计的温度偏移现象,而成本增加甚少。理论计算和试验的结果表明,经环境温度补偿后,这种新型热线式空气质量流量计可在大范围温度变化的环境下工作,并且具有较高的流量测量精度

点击次数:  更新时间:2019-05-14  【打印此页】  【关闭

技术文章

联系方式

苏州华陆仪器仪表有限公司
电 话:0512-66835259

传 真:0512-66835356

邮 编:215131

地 址:苏州市相城区澄阳路60号脱颖科技园3区

在线交流 
咨询销售 MSN咨询销售
咨询技术 咨询技术
联系电话:0512-66835259