热膜式空气流量计的测量技术

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1、热膜式空气流量计的测量技术摘要：空气流量计是汽车电控系统的一个重要元件，它担负着向电脑传递进气量大小信号的任务，它性能的好坏直接影响到发动机能否正常工作，因此掌握空气流量计的检测与故障诊断方法就特别重要测量技术。热膜式空气流量计是基于热平衡原理，用于检测吸入发动机空气的质量流量计。可测量吸入发动机气缸的空气量并将其转变成电信号传送给ECU，是确定基本喷油量的重要依据之一。本文通过对热膜式空气流量计的测量原理、温度补偿的分析介绍了其测量技术。关键词：热膜式空气流量计热平衡测量技术空气流量传感器AFS（AirFlowSensor）

2、又称为空气流量计AFM（AirFlowMeter），其功用是检测发动机进气量大小、并将进气量信息转换成电信号输入电控单元（ECU），以供ECU计算确定喷油时间（即喷油量）和点火时间。进气量信号是控制单元计算喷油时间和点火时间的主要依据，同时对发动机的正常运转、提高燃油效率及减少汽车尾气排放起到至关重要的作用。一、热膜式空气流量计的基本原理热膜式空气流量计是基于热平衡原理，用于检测吸入发动机空气的质量流量计。可测量吸入发动机气缸的空气量并将其转变成电信号传送给ECU，是确定基本喷油量的重要依据之一。1—接线插座2—护套1—过滤层

3、2—温度补偿电阻3—铂金属膜4—防护网3—热膜电阻热膜式空气流量计的发热元件是铂金属膜，铂金属发热元件的响应速度很快，能在几毫秒内反映出空气流量的变化，因此测量精度不受进气气流脉动的影响。此外还具有进气阻力小，不磨损部件等优点，因此目前大多数中高档轿车都采用了这种热膜式空气流量计。热膜式空气流量计的结构如图1所示，热膜电阻设在其内部的进气通道的一个矩形护套中。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度，在护套的空气入口一侧设有空气过滤层，用以过滤空气中的污物。为了防止进气温度变化使测量精度受到影响，在热膜电阻附近的气流上游没有铂

4、金属膜式温度补偿电阻，如图2所示。温度补偿电阻和热膜电阻与流量计内部控制电路相连，控制电路与线束连接器插座相连，线束插座设在计壳体中部。热膜电阻的阻值比较大，消耗的电流较小，使用寿命较长。但是，由于其发热元件表面制作有一层绝缘保护薄膜，存在辐射热传导作用，因此响应特性稍差。二、热膜式空气流量计测量原理2.1空气流量测量原理在强制气流的冷却作用下，发热元件在单位时间内的散热量H和发热元件的温度TH与气流温度TG之差成正比，其散热量H与气流质量流量QM之间的函数关系如下:H=Kλ1-mμm-nCpm(TH-TG)QMn式中：K为常

5、数；λ为空气热导率；μ为空气黏性系数；CP为空气比热容。m和n的值与流体的性质及雷诺数有关。设发热元件的加热电流为I、电阻值为RH，在热平衡状态下，散热量等于发热量，即：H=I2RH由式（1）和式（2）可得气流的质量流量QM与加热电流I之间的函数关系式如下：QM=nRHKTTH-TG×I2式中：KT=K-1λm-1μn-mCp-m,系数KT值与空气温度TG有关，其温度系数为（0.15%～0.18%）/℃；发热元件的电阻值RH与自身温度TG有关，温度升高，阻值增大。可见通过控制发热元件的温度TH与空气温度TG之差为一恒定值，就可

6、以根据发热元件的加热电流I求得空气气流的质量流量QM。在热膜式流量计中，采用了恒温差控制电路实现流量检测。恒温差控制电路如图3所示，发热元件电阻RH和温度补偿电阻（进气温度计）RT分别连接在惠斯登电桥电路的两个臂上。当发热元件的温度高于进气温度时，电桥电压才能达到平衡，并由具有电流放大作用的控制电路A控制加热电流（50～120mA）来保持发热元件温度TH与温度补偿电阻温度TT之差保持恒定（即△T=TH-TT=120℃）。RT—温度补偿电阻（进气温度传感器）RH—热膜电阻RS—信号取样电阻R1、R2—精密电阻UCC—电源电压US

7、—信号电压A—控制电路当空气气流流经发热元件使其受到冷却时，发热元件温度降低，阻值减小，电桥电压失去平衡，控制电路将增大供给发热元件的电流，使其温度保持高于温度补偿电阻温度（120℃）。电流增量的大小，取决于发热元件受到冷却的程度，即取决于流过流量计的空气量。当电桥电流增大时，取样电阻RS上的电压就会升高，从而将空气流量的变化转换为电压信号US的变化。输出电压与空气流量之间近似于4次方根的关系。信号电压输入ECU后，ECU便可根据信号电压的高低计算出空气质量流量QM的大小。当发动机怠速时，其节气门关闭或接近全闭，因此空气流速低

8、，空气量少；如果空气为热空气，则空气温度越高，空气密度越小。所以在体积相同的情况下，热空气的质量小，因此发热元件受到冷却的程度小，阻值减小幅度小，保持电桥平衡需要的电流也小，故取样电阻上的信号电压低。反之，当发动机负荷增大时，由于空气流速快，进入的空气量多，相对来说，空气为冷