您现在的位置: 网站首页 >  技术文章

热线式空气流量计的测量技术

热线式空气流量计的测量技术空气流量计是测量空气流量的一种重要工具,它起源于2O世纪初,一直广泛用于流体速度测景,并且在2O世纪6O年代以后曾一度是流体测速领域中的主要技术之一.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,并具有更快的热动态响应速度,使得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景传感器的应用带来了更广泛空间,它以能直接测出空气质量流量、测量准确度高、动态响应时间短等优点,被广泛应用在现代汽车发动机上.

           涡轮流量计,气体涡轮流量计,罗茨流量计

1、热线式传感器的基本原理

热线式传感器的工作原理是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测量的,根据热平衡原理,热线中的热产生应该等于热耗散,即在热线没有热传导的情况下,加热电流在热线中产生的热量应该等于流体所带走的热量.

对于有限长的热线,在稳定情况下总的热耗散包括:(1)对流引起的热耗散;(2)热线对支杆的热传导引起的热耗散;(3)热线的热辐射引起的热耗散.由于大多数场合,热线与周围的流体温度差小于200℃,辐射热可以忽略;且热线的长细比很大的情况下(l/d=),热线对支架的热传导与对流散热相比可以忽略不计,所以热线的热耗散主

要是由对流引起的.由热线热耗散规律,对流换热量Q可以表示为

只要固定IT2个参数中的任何一个都可以获得流速q与另一个参数的单值函数关系.(1)若电流In固定,则q=f(Th),可根据热线温度T测量流量q这种工作方式即为恒流工作方式;(2)若保持热线温度Th恒定,则q=f(Ih)可根据流经热线的电流Ih测量流量,这即为热线的恒温工作方式.

恒流法测量下限低,在小流速范围内具有较高的灵敏度,由于恒流法受电阻热时间常数的影响,会产生响应滞后,所以不适合动态响应要求高的场合.恒温法的反馈过程进行的非常迅速,近似完全补偿而没有热滞后效应,适用于流速的动态测量.

2、恒流工作方式的基本测量电路及流量方程的推导

2.1基本测量电路分析

恒流工作方式的基本测量电路如图1所示,A1为电桥放大。A2R组成温度补偿及调零电路,A3为增益放大.

电路工作的基本原理:将热线接人惠斯登电桥的一臂,流量信号经热线转变为电信号,电桥测量电路则将热线电阻值的相对变化量转换为电桥的不平衡电压输出,送到电桥放大器的两输入端,再经过温度补偿、调零、滤波、放大,可得到O5V标准电压.

当流过气道的空气流量减少或增加时,空气从热线带走的热量就相应变化,使热线的温度升高或降低,引起热线电阻的增大或减小.热线电阻值的变化,表现为电桥不平衡电压的变化.不平衡电压经过放大、补偿,以O5V标准电压信号输出.

2.2流量方程的推导

RhRf分别为温度等于ThTf时热线的电阻值,β为热线的电阻温度系数,他们满足以下关系:

3、恒温工作方式的基本测量电路及流量方程

恒温工作方式的基本测量电路如图2所示,A2用来检测电桥的差值;A1A2Q1组成反馈电流控制电路,控制加在电桥上电流的大小,使电桥保持平衡;A3输出测量电压.RtRzR组成有温度补偿功能的桥臂

恒温控制是通过控制流经热线的电流大小,使温度TH与冷却热线的流体温度Tf之差为定值,一般情况下应控制THTf=100℃.如图2所示,当加有电流IH的热线置于恒速流动或静止的空气中时,温度TR保持不变,当空气流速变化时,热线的散热量发生变化,导致温度发生改变,电阻也相应变化,这种改变立即导致电桥偏离平衡,从而输出不平衡信号.这个信号经放大后反馈到电桥中,以抑制热线的温度改变,补偿热线电阻的变化,从而使电桥恢复平衡.当空气流量增加时,热线变冷,热线电阻R降低。1点的电压随之升高,E1>E2,伺服放大器负端电压增加,从而控制电路的输出电压E增加,即电桥电压增加,通过热线的电流增大,热线被重新加热,Rh升高.电桥电压E的升高导致12点的电压均升高,由于R升高又导致E1下降,最后E1=E2,电桥恢复平衡.这一过程是瞬时发生的,所以空气流量的增加就好像是电桥输出E1的增加,而空气流量的降低也等于是电桥输出电压的降低.

2中电路的输出电压为:V=rE

其中k为常数,与电路参数有关.流经热线的电流为IH=E1/R4

(9)式代入(2)式,并进行整理可得

4、传感器的温度补偿

以上推导过程均要求环境温度Tf固定,在相同的空气质量流量下,Tf改变会导致传感器的输出信号的改变,引起测量误差,因而必须对由于环境温度变化而引起流量传感器输出信号变化的情况进行修正,即温度补偿.

对于恒流情况,如图1中,R为正温度系数的热电阻,它与热线处于相同的环境中,假设Tf升高,则R增大,1点电压降低,导致A1输出端3点电压增大,此时R的电阻也增大,使4点电压增大,通过试验调整R。,R使34两点增大幅度相同,经过A2的差动放大抵消温度的影响.

对于恒温情况,在电桥中与热线相对的桥臂上加入正温度系数的热电阻R,当空气温度变化时,12两点的电压向相同方向变化,从而使两点的电压差保持不变.这样补偿后,由空气温度变化引起的电桥总电阻的变化等还会引起输出的变化,这种影响较小,在一般测量中不必再进行补偿.

5、测量结果的处理

由式(8)(10)可知热线式空气流量计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计

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)首先使用其他流量计进行标定,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.

试验以恒温方式工作的热线流量传感器,在气道试验台上用卡门涡旋式空气流量计进行标定,并对输出电压和流量的关系进行多项式拟合,如图3所示,拟合公式为

由图3可见,拟合曲线可以与标定结果进行的匹配,表明热线式空气流量计经标定后可以进行的测量.

本文介绍了热线式传感器的基本原理,分析了工作于恒流和恒温方式下的流量传感器的测量电路原理,推导了其流量公式.热线式传感器由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、装置简单等优点,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.

点击次数:  更新时间:2018-08-22 12:10:27  【打印此页】  【关闭