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热线式空气流量计在便携式尾气分析仪中的应用研究

时间:2011/5/3 15:10:33 点击:2357

  核心提示:热线式空气流量计在便携式尾气分析仪中的应用研究热线式空气流量计是测量空气流量的一种重要工具,它起源于20世纪初,一直广泛用于流体速度测量,并在60年代后曾一度成为流体测速领域的主要技术之一。随着近年来微电子技术和微加工技术的发展,采用微结构的热线式传感器的功耗大幅度降低,且以更快的热动态响应速度,使...

  热线式空气流量计在便携式尾气分析仪中的应用研究热线式空气流量计是测量空气流量的一种重要工具,它起源于20世纪初,一直广泛用于流体速度测量,并在60年代后曾一度成为流体测速领域的主要技术之一。随着近年来微电子技术和微加工技术的发展,采用微结构的热线式传感器的功耗大幅度降低,且以更快的热动态响应速度,使热线式传感器的研究和应用又一次受到了重视。汽车发动机电控化的发展给热线式空气流量传感器的应用带来了更广泛的空间,它能直接测出空气质量流量且以测量准确度高、动态响应时间短等优点,被广泛应用在汽车发动机上。

  1 热线式空气流量计构成和基本原理

  流量计的基本构成包括感知空气流量的白金热线、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻(冷线)、控制热线电流的控制电路以及壳体等。根据白金热线在壳体内安装部位的不同,可分为安装在空气主通道内的主流测量方式和安装在空气旁通道内的旁通道测量方式。

  热线式空气流量计是利用空气流过热金属线时的冷却效应工作的。将一根铂丝热线置于进气空气流中,当恒定电流通过铂丝使其加热后,如果流过铂丝周围的空气增加,金属丝温度就会降低。如果要使铂丝的温度保持恒定,就应根据空气量调节热线的电流,空气流量越大,需要的电流越大。图1是主流测量方式的热线式空气流量计的结构图。其中RH是直径为0.03~0.05的细铂丝(热线),RK是作为温度补偿的冷线电阻。RA和RB是精密线桥电阻。4个电阻共同组成一个惠斯登电桥。在实际工作中,代表空气流量的加热电流是通过电桥中的RA转换成电压输出的。当空气以恒定流量流过时,电源电压使热线保持在一定温度,此时电桥保持平衡。当有空气流动时,由于RH的热量被空气吸收而变冷,其电阻值发生变化,电桥失去平衡。此时,放大器即增加通过铂丝的电流,直到恢复原来的温度和电阻值,使电桥重新平衡。由于电量的增加,RA的电压增加,这样就在RA上得到了代表空气流量的新的电压输出。

图1 热线式空气流量计结构图

  进气温度的任何变化都会使电桥失去平衡。为此,在靠近热线的空气流中,设有一个补偿电阻丝(冷线)。冷线补偿电阻的温度起一个参照值的作用。在工作中,放大器会使热线温度高出进气温度100℃。热线式空气流量计长期使用,会使热线上积累杂质。为此,在热线式流量计上采用了烧尽措施解决这个难题。每当发动机熄火时,ECU自动接通空气流量计壳体内的电子电路,热线被自动加热,使其温度在1s内升高了1000℃。由于烧尽温度必须是非常精确的,因此,在发动机熄火4s后,该电路才被接通。这种空气流量计由于没有运动部件,因此工作可靠,而且响应特性较好;缺点是在空气流速分布不均匀时误差较大。

  2 便携式尾气分析仪

  2.1 工作原理

  该分析仪将转速测量单元中的霍耳传感器的主体固定在摩托车前支架上,磁铁放在摩托车的轮辋上,通过霍耳传感器测量摩托车的车速,获得的车轮转速信号送信号转换和处理单元。气体流量测量单元实时获取行驶中摩托车所排尾气的流量并送信号转换和处理单元。车轮转速信号和气体流量信号最终都在工业计算机主板上得到处理。气体采样单元将尾气采集后经粉尘过滤器、水分离器后送给气体传感器检测,气体传感器获取摩托车尾部所排废气成份的数据,并送信号转换和处理单元。信号转换和处理单元将获得的数据信息输送给工业计算机主板,经工业计算机主板内部存贮的工作程序最终处理,将相关信息送液晶屏显示,测量结果通过微型打印机输出。测量时的一些控制信息通过触摸屏输送给工业计算机主板。其原理如图2所示。


图2 仪器原理框图

  2.2 气体流量测量

  我们所采用的气体流量计如图3所示。

图3 流量计内部结构

  在空气通道内放置热线,由于其热量被空气吸收,热线本身变冷。随着热线周围的空气质量流量的增大,被带走的热量也将增加。热线式空气流量计就是利用热线与空气之间的这种热传递进行空气质量流量的测量。

  2.3 流量传感器的安装

  图4是流量传感器在测试摩托车上的安装方式。

图4 流量计的安装

  3 测量数据处理

  热线式空气流量传感器的输出与空气质量流量之间是非线性关系,给测量和标定带来困难,有必要对热线式空气流量传感器的输出信号进行处理。

  处理方法:1)使用信号调理电路进行线性化,可方便地得到线性输出结果,但所使用的电路较复杂,调节和标定困难,所以使用较少。2)首先使用标准流量计进行精确标定,并将结果进行折线或多项式拟合,或制成表格储存起来,测量时使用单片机或计算机根据拟合公式进行计算或查表得到所测流量。

  3.1 标定实验数据

  我们使用的标准气体流量计来自方正校准机构,作为校准机构其设备精度极高。下面是我们标定用的实验数据(标况下的输出电压及气体体积流量)并绘制图5。

 (1.02,0.000)、(1.16,3.358)、(1.28,5.443)
 (1.49,8.829)、(1.71,12.182)、(1.96,17.612)
 (2.21,24.437)、(2.45,30.666)、(2.65,36.050)
 (2.83,42.736)、(3.11,49.420)、(3.40,57.985)
 (3.68,65.111)、(3.89,68.326)、(4.14,76.727)

图5 流量计标定输出电压和体积流量的关系

  通过使用最小二乘法拟合7次多项式,可获得精确的电压与流量间的数学关系式:

  

  通过C语言编制程序计算出:

  

  再将以上数据代入VB6.0编写的分析仪软件程序,通过测试界面(图6所示)显示出当前气体流量。

图6 工况法测试界面

  3.2 测量实验数据与标准流量的比较

  表1是测量实验数据与标准流量示值,其比较曲线如图7所示。


图7 实验数据与标准流量的比较

  4 结论

  1)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。

  2)为了更好地把握流量计的精度,在标定时一定要多取数据,特别是要密集型数据采集。热线式传感器由于它具有测量重复性好、测量范围宽、响应速度快、体积小、价格低、设备简单等优点,适合于各种环境下气体流量的测量,特别是在发动机电控系统中,它作为进气量测量传感器得到了广泛的应用。

  参考文献

  1 庞佳涵,花向阳,扬振中.热线式空气流量计的研究[J].节能,2003(7):9~11
  2 朱 良,谭德荣,赵玮.热线式空气流量计的测量技术[J].山东理工大学学报(自然科学版),2006(3):85~88
  3 李长武,梁国伟.汽车用热线式空气流量传感器[J].传感器技术,2004,23(8):38~40
  4 ChenHongyan,ChengMin,LuoQining,LiYing.StudyonPortablemotorcycleexhaustgasanalyzerITIC2006,2006,10

作者:佚名 来源:不详
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