一种具有环境温度补偿功能的新型热线式空气质量流量计

　　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和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,热线式空气质量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]。