摘要: 針對傳統金屬管轉子流量計在測量汽車發動機進氣量時存在精度低、響應慢等缺點，設計了一種基于 AＲM 的熱式金屬管轉子流量計。系統基于恒溫差的測量方法，當空氣流經加熱電阻時，利用加熱電路維持加熱電阻與環境溫度的恒定溫差，通過加熱電阻上電流變化引起的電壓變化來計算得到空氣流量信號。實驗結果表明，該流量計具有響應速度快、測量范圍大、測量精度高等優點，綜合測量誤差小于1% ，流量計的精度滿足發動機的要求。

 

    引言

    隨著集成電路技術、傳感器技術以及微處理器技術的飛速發展，使得汽車電子行業發生了革命性的變化［1］。其中，非常主要的變化就是現代汽車逐漸淘汰了傳統的化油器式發動機，而是采用電子控制燃油噴射系統。金屬管轉子流量計作為電子控制燃油噴射系統的核心，其安裝在空氣濾芯和節氣門之間的進氣通道之間，用于實時測量發動機的進氣量，再綜合點火時間、曲軸轉速等參數對噴油量進行修正，實現準確控制空燃比的目的。目前用于測量發動機進氣量的金屬管轉子流量計可大致分為體積流量型以及質量流量型兩類，質量型流量計即熱式金屬管轉子流量計，其相比于體積型流量計具有響應速度快、測量精度高、測量范圍廣等優點。本文設計了一種基于 AＲM 的熱式金屬管轉子流量計，其基于恒溫差測量原理，將 2 個鉑電阻分別安裝在惠斯登電橋的兩端，通過測量惠斯登電橋輸出端電壓的變化情況來計算出空氣流量值，熱式金屬管轉子流量計在能源、航天航天以及汽車電子等領域有著廣泛的應用［2 － 3］。 

 

    1 熱式金屬管轉子流量計測量原理

    熱式金屬管轉子流量計是依據 Thomas 理論進行設計的，依據理論［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 為加熱電阻與進氣溫度的差值，℃ ; q 為單位時間內空氣的質量流量，kg /h。

 

 

 

    由式( 2) 可知，當 C 為定值時，空氣質量流量 q 只 與 E 和 ΔT 相關，若保持加熱電阻與空氣進氣的溫度差值 ΔT 恒定，那么空氣質量流量 q 只與加熱電阻所消耗的電能 E 有關。本文設計的熱式金屬管轉子流量計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，任一電阻發生變化都會打破電橋平衡。

 

    將采用正溫度系數制成的加熱電阻 Ｒ1 置于汽車發動機的進氣道中，當空氣流經 Ｒ1 時會帶走 Ｒ1 上的

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

 

    系統就是利用惠斯登電橋原理，當系統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算得到 Ｒ1 電阻上消耗的電能 E，從而來得到空氣的質量流量信號。 

 

    2 基于 AＲM 的熱式金屬管轉子流量計硬件電路設計

    熱式金屬管轉子流量計硬件電路主要包括惠斯登電橋控制電路、流量傳感器信號調理電路、信號調理電路、 V － I 轉換電路以及電源電路等［5］。當空氣流經加熱電阻帶走熱量時，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十分微弱，必須經高精度儀用放大電路放大濾波處理之后才能送入單片機內部的 A/D 進行模數轉換，非常后將信號轉換為與之對應的 4 ～ 20 mA 標準電流信號，硬件框圖如圖 2 所示。 

 

 

    2． 1 傳感器單元

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

 

    2． 2 恒溫差控制電路

    本文設計的熱式金屬管轉子流量計采用恒溫差的方案，主要通過惠斯登電橋實現恒溫控制，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構成了惠斯登電橋電路，其中 Ｒ23 為鉑制成的加熱電阻，當空氣吹過 Ｒ23引起電阻值改變時，由上述測量原理可知，電橋失衡，此時電橋的 A、B 點電位會發生變化。由運算放大器U1、U2 及 Q8 組成的電流反饋電路負責維持電橋的平衡，當電橋失衡，A、B 的電位差值被 U1、U2 及其外圍電路檢測到并作適當放大，非常后用放大后的電壓去調控功率三極管 Q8 的基極，使得反饋控制電路根據電壓大小調節流過加熱電阻 Ｒ23 中電流的大小，非常終使得惠斯登電橋達到平衡狀態。

 

    當惠斯登電橋中 Ｒ23 中的電流變化時，與其處于同一支線的 Ｒ26中電流也會隨之變化，取 Ｒ26兩端的電壓作為流量輸出的電壓信號。流量信號輸出電路是由運放 AD8610 構成的反相比例放大電路組成，將維持電橋平衡的電壓信號經過適當放大處理后送入單片機的 A/D 轉換器進行模數轉換，再將采集的電壓信號轉換成與之成比例的空氣流量信號［8］。

 

    由上述測量原理可知，惠斯登電橋所用的加熱電阻為正溫度系數的溫敏電阻，電阻阻值隨溫度變化而變化，因此若環境溫度變化時，也會造成電橋失衡，引起測量誤差［9］。為了避免氣溫波動帶來的測量誤差，系統做了如下處理: 將相同溫度系數的電阻 Ｒ21 接入加熱電阻對應的橋壁上，此時當環境溫度變化時，A、B兩端的電壓就會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引起的測量誤差。 

 

    2． 3 V － I 轉換電路

    由于車用熱式流量計的接口一般為 4 ～ 20 mA 的電流信號，因此需要將流量計輸出的電壓信號轉換為電流信號［10］。當惠斯登電橋輸出的電壓信號被單片機內部 A/D 轉換器采集后，經過相關算法把電壓信號轉換為相應的流量值。再利用單片機內部的 D/A 轉換器將此數字信號轉換為與之對應的模擬電壓信號，非常后通過 V － I 轉換電路把其轉換為 4 ～ 20 mA 的電流信號，方便傳輸。V － I 轉換電路如圖 4 所示。

 

 

    本文利用 OPA333 實現 V － I 轉換，圖中 DACOUT接單片機 DAC 的輸出口，由 C43進行數字噪聲場濾波之后送入運放 0PA333 進行 1∶ 1 緩沖后，經 Q4 進行電流放大，在 Ｒ43 上形成檢測電壓，C45 進行去抖動處理，非常后在 AN_OUT + 、AN_OUT － 之間形成 4 ～ 20 mA的輸出電流。

 

    3 系統軟件設計

    軟件設計是系統的必要組成部分，其采用 C 語言編程，編譯環境為 Keil。當系統上電后首先執行復位操作，然后開始啟動內部的 A/D 轉換程序，把惠斯登電橋輸出的模擬電壓信號轉換為可被單片機處理的數字信號，再經過相關算法計算出空氣的流量值，再由單片機內部的 D/A 轉換器將處理過后的數字量信號轉換為模擬信號，供后續 V － I 轉換電路使用，軟件流程圖如圖 5 所示。 

 

 

 

    4 實驗數據分析處理

    根據以上軟硬件設計，研制了基于 AＲM 的熱式金屬管轉子流量計，接下來開始驗證系統的精度。首先需要對系統進行標定，如圖6 所示，采用空氣壓縮機作為風源，在空氣壓縮機輸出氣體的管道上分別安裝標準流量計和本文研制的熱式空氣流量。

 

 

 

    實驗時啟動壓縮機，打開壓縮機管道上的閥門，通過改變閥門的開度來調節流過管道中氣體的流速，把標準流量計采集到的空氣流速值與研制的熱式金屬管轉子流量計采集到的數據進行對比，實驗數據如表 1 所 示。流速與惠斯登電橋輸出電壓的關系如圖 7 所示。

 

 

 

    對表 1 數據進行非常小二乘法三次多項式擬合，得到空氣流速與惠斯登電橋輸出電壓數學模型: 

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

 

    5 結束語

    本文設計了一種基于 AＲM 的熱式金屬管轉子流量計，通過在惠斯登電橋加熱電阻的對應橋臂上增加正溫度系數的電阻，來減小環境溫度變化引起的測量誤差; 系統將微型流量傳感器與惠斯登反饋電橋電路有機結合在一起，提高了熱式流量計的響應速度。實際測試結果表明，系統具有具有測量精度高、硬件電路設計簡單、體積小等特點。