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。

　　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。