摘要: 針對(duì)傳統(tǒng)金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)在測(cè)量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量時(shí)存在精度低、響應(yīng)慢等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于 AＲM 的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)。系統(tǒng)基于恒溫差的測(cè)量方法，當(dāng)空氣流經(jīng)加熱電阻時(shí)，利用加熱電路維持加熱電阻與環(huán)境溫度的恒定溫差，通過加熱電阻上電流變化引起的電壓變化來計(jì)算得到空氣流量信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該流量計(jì)具有響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，綜合測(cè)量誤差小于1% ，流量計(jì)的精度滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

 

    引言

    隨著集成電路技術(shù)、傳感器技術(shù)以及微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，使得汽車電子行業(yè)發(fā)生了革命性的變化［1］。其中，非常主要的變化就是現(xiàn)代汽車逐漸淘汰了傳統(tǒng)的化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)，而是采用電子控制燃油噴射系統(tǒng)。金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)作為電子控制燃油噴射系統(tǒng)的核心，其安裝在空氣濾芯和節(jié)氣門之間的進(jìn)氣通道之間，用于實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，再綜合點(diǎn)火時(shí)間、曲軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)噴油量進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制空燃比的目的。目前用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)可大致分為體積流量型以及質(zhì)量流量型兩類，質(zhì)量型流量計(jì)即熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)，其相比于體積型流量計(jì)具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于 AＲM 的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)，其基于恒溫差測(cè)量原理，將 2 個(gè)鉑電阻分別安裝在惠斯登電橋的兩端，通過測(cè)量惠斯登電橋輸出端電壓的變化情況來計(jì)算出空氣流量值，熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)在能源、航天航天以及汽車電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［2 － 3］。 

 

    1 熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量原理

    熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)是依據(jù) Thomas 理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的，依據(jù)理論［4］，空氣中氣體的流量與電能的消耗量可以用式( 1) 表示:

 

 

 

    式中: E 為加熱電阻上電能的消耗量，J; C 為空氣的比熱容，J/( kg·℃ ) ; ΔT 為加熱電阻與進(jìn)氣溫度的差值，℃ ; q 為單位時(shí)間內(nèi)空氣的質(zhì)量流量，kg /h。

 

 

 

    由式( 2) 可知，當(dāng) C 為定值時(shí)，空氣質(zhì)量流量 q 只 與 E 和 ΔT 相關(guān)，若保持加熱電阻與空氣進(jìn)氣的溫度差值 ΔT 恒定，那么空氣質(zhì)量流量 q 只與加熱電阻所消耗的電能 E 有關(guān)。本文設(shè)計(jì)的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)利用惠斯登電橋平衡原理來保持 ΔT 恒定，具體原理圖如圖 1 所示。

 

 

 

    由式( 5) 可知，任一電阻發(fā)生變化都會(huì)打破電橋平衡。

 

    將采用正溫度系數(shù)制成的加熱電阻 Ｒ1 置于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道中，當(dāng)空氣流經(jīng) Ｒ1 時(shí)會(huì)帶走 Ｒ1 上的

熱量，Ｒ1 的阻值會(huì)下降，由式( 5) 可知，惠斯登電橋失去平衡狀態(tài)，為了讓電橋重新恢復(fù)平衡狀態(tài)，需要增加流過 Ｒ1 的電流，當(dāng) Ｒ1 電流增大溫度上升時(shí)，Ｒ1 電阻阻值也會(huì)增加，從而使得電橋達(dá)到新的平衡。

 

    系統(tǒng)就是利用惠斯登電橋原理，當(dāng)系統(tǒng)為了維持電橋平衡而增加加熱電阻 Ｒ1 上流過的電流，通過采集流過 Ｒ1 電流變化引起的電壓變化來計(jì)算得到 Ｒ1 電阻上消耗的電能 E，從而來得到空氣的質(zhì)量流量信號(hào)。 

 

    2 基于 AＲM 的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)

    熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)硬件電路主要包括惠斯登電橋控制電路、流量傳感器信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)調(diào)理電路、 V － I 轉(zhuǎn)換電路以及電源電路等［5］。當(dāng)空氣流經(jīng)加熱電阻帶走熱量時(shí)，通過增加流過加熱電阻的電流來保持惠斯登電橋平衡，電橋輸出的電壓信號(hào)十分微弱，必須經(jīng)高精度儀用放大電路放大濾波處理之后才能送入單片機(jī)內(nèi)部的 A/D 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，非常后將信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的 4 ～ 20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，硬件框圖如圖 2 所示。 

 

 

    2． 1 傳感器單元

    傳感器單元是系統(tǒng)的核心部件，因此在傳感器選型時(shí)需要考慮到傳感器的可靠性、精度、響應(yīng)速度以及尺寸大小等問題［6］。傳感器對(duì)空氣流量的測(cè)量依賴于傳感器中的加熱電阻和溫度補(bǔ)償電阻，其均為正熱敏電阻，在 － 60 ～ 300 ℃ 內(nèi)有著較高的穩(wěn)定性。一般情況下金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)允許的誤差范圍在 ± ( 2% ～ 3% ) ，因此對(duì)加熱電阻材料的選取要求較為嚴(yán)格，本文選用電阻率高、穩(wěn)定性好的鉑電阻作為加熱電阻。 

 

    2． 2 恒溫差控制電路

    本文設(shè)計(jì)的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)采用恒溫差的方案，主要通過惠斯登電橋?qū)崿F(xiàn)恒溫控制，恒溫控制電路主要是由惠斯登電橋、三極管以及運(yùn)算放大器組成［7］，具體電路圖如圖 3 所示。

 

 

 

    電阻 Ｒ21、Ｒ22、Ｒ23、Ｒ24、Ｒ25、Ｒ26構(gòu)成了惠斯登電橋電路，其中 Ｒ23 為鉑制成的加熱電阻，當(dāng)空氣吹過 Ｒ23引起電阻值改變時(shí)，由上述測(cè)量原理可知，電橋失衡，此時(shí)電橋的 A、B 點(diǎn)電位會(huì)發(fā)生變化。由運(yùn)算放大器U1、U2 及 Q8 組成的電流反饋電路負(fù)責(zé)維持電橋的平衡，當(dāng)電橋失衡，A、B 的電位差值被 U1、U2 及其外圍電路檢測(cè)到并作適當(dāng)放大，非常后用放大后的電壓去調(diào)控功率三極管 Q8 的基極，使得反饋控制電路根據(jù)電壓大小調(diào)節(jié)流過加熱電阻 Ｒ23 中電流的大小，非常終使得惠斯登電橋達(dá)到平衡狀態(tài)。

 

    當(dāng)惠斯登電橋中 Ｒ23 中的電流變化時(shí)，與其處于同一支線的 Ｒ26中電流也會(huì)隨之變化，取 Ｒ26兩端的電壓作為流量輸出的電壓信號(hào)。流量信號(hào)輸出電路是由運(yùn)放 AD8610 構(gòu)成的反相比例放大電路組成，將維持電橋平衡的電壓信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)放大處理后送入單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的空氣流量信號(hào)［8］。

 

    由上述測(cè)量原理可知，惠斯登電橋所用的加熱電阻為正溫度系數(shù)的溫敏電阻，電阻阻值隨溫度變化而變化，因此若環(huán)境溫度變化時(shí)，也會(huì)造成電橋失衡，引起測(cè)量誤差［9］。為了避免氣溫波動(dòng)帶來的測(cè)量誤差，系統(tǒng)做了如下處理: 將相同溫度系數(shù)的電阻 Ｒ21 接入加熱電阻對(duì)應(yīng)的橋壁上，此時(shí)當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，A、B兩端的電壓就會(huì)保持同等大小的增減，使得 UAB保持不變，避免了空氣溫度波動(dòng)引起的測(cè)量誤差。 

 

    2． 3 V － I 轉(zhuǎn)換電路

    由于車用熱式流量計(jì)的接口一般為 4 ～ 20 mA 的電流信號(hào)，因此需要將流量計(jì)輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)［10］。當(dāng)惠斯登電橋輸出的電壓信號(hào)被單片機(jī)內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器采集后，經(jīng)過相關(guān)算法把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流量值。再利用單片機(jī)內(nèi)部的 D/A 轉(zhuǎn)換器將此數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，非常后通過 V － I 轉(zhuǎn)換電路把其轉(zhuǎn)換為 4 ～ 20 mA 的電流信號(hào)，方便傳輸。V － I 轉(zhuǎn)換電路如圖 4 所示。

 

 

    本文利用 OPA333 實(shí)現(xiàn) V － I 轉(zhuǎn)換，圖中 DACOUT接單片機(jī) DAC 的輸出口，由 C43進(jìn)行數(shù)字噪聲場(chǎng)濾波之后送入運(yùn)放 0PA333 進(jìn)行 1∶ 1 緩沖后，經(jīng) Q4 進(jìn)行電流放大，在 Ｒ43 上形成檢測(cè)電壓，C45 進(jìn)行去抖動(dòng)處理，非常后在 AN_OUT + 、AN_OUT － 之間形成 4 ～ 20 mA的輸出電流。

 

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的必要組成部分，其采用 C 語(yǔ)言編程，編譯環(huán)境為 Keil。當(dāng)系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行復(fù)位操作，然后開始啟動(dòng)內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換程序，把惠斯登電橋輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過相關(guān)算法計(jì)算出空氣的流量值，再由單片機(jī)內(nèi)部的 D/A 轉(zhuǎn)換器將處理過后的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，供后續(xù) V － I 轉(zhuǎn)換電路使用，軟件流程圖如圖 5 所示。 

 

 

 

    4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理

    根據(jù)以上軟硬件設(shè)計(jì)，研制了基于 AＲM 的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)，接下來開始驗(yàn)證系統(tǒng)的精度。首先需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，如圖6 所示，采用空氣壓縮機(jī)作為風(fēng)源，在空氣壓縮機(jī)輸出氣體的管道上分別安裝標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和本文研制的熱式空氣流量。

 

 

 

    實(shí)驗(yàn)時(shí)啟動(dòng)壓縮機(jī)，打開壓縮機(jī)管道上的閥門，通過改變閥門的開度來調(diào)節(jié)流過管道中氣體的流速，把標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)采集到的空氣流速值與研制的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 所 示。流速與惠斯登電橋輸出電壓的關(guān)系如圖 7 所示。

 

 

 

    對(duì)表 1 數(shù)據(jù)進(jìn)行非常小二乘法三次多項(xiàng)式擬合，得到空氣流速與惠斯登電橋輸出電壓數(shù)學(xué)模型: 

    Q = 0． 99V3 + 0． 33V2 + 0． 16V － 5． 553 9 (1)

    式中: Q 為空氣流速，m /s; V 為惠斯登電橋的輸出電壓，V。

    利用式( 1) 可以通過測(cè)量惠斯登電橋的電壓間接測(cè)量管道內(nèi)空氣的流速。系統(tǒng)的測(cè)量誤差在 1% 以 內(nèi)，本文研制的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)具有較高的測(cè)量精度。 

 

    5 結(jié)束語(yǔ)

    本文設(shè)計(jì)了一種基于 AＲM 的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)，通過在惠斯登電橋加熱電阻的對(duì)應(yīng)橋臂上增加正溫度系數(shù)的電阻，來減小環(huán)境溫度變化引起的測(cè)量誤差; 系統(tǒng)將微型流量傳感器與惠斯登反饋電橋電路有機(jī)結(jié)合在一起，提高了熱式流量計(jì)的響應(yīng)速度。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有具有測(cè)量精度高、硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)。