熱線式空氣流量計(jì)在便攜式尾氣分析儀中的應(yīng)用研究熱線式空氣流量計(jì)是測量空氣流量的一種重要工具，它起源于20世紀(jì)初，一直廣泛用于流體速度測量，并在60年代后曾一度成為流體測速領(lǐng)域的主要技術(shù)之一。隨著近年來微電子技術(shù)和微加工技術(shù)的發(fā)展，采用微結(jié)構(gòu)的熱線式傳感器的功耗大幅度降低，且以更快的熱動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，使熱線式傳感器的研究和應(yīng)用又一次受到了重視。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控化的發(fā)展給熱線式空氣流量傳感器的應(yīng)用帶來了更廣泛的空間，它能直接測出空氣質(zhì)量流量且以測量準(zhǔn)確度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上。

　　1　熱線式空氣流量計(jì)構(gòu)成和基本原理

　　流量計(jì)的基本構(gòu)成包括感知空氣流量的白金熱線、根據(jù)進(jìn)氣溫度進(jìn)行修正的溫度補(bǔ)償電阻（冷線）、控制熱線電流的控制電路以及殼體等。根據(jù)白金熱線在殼體內(nèi)安裝部位的不同，可分為安裝在空氣主通道內(nèi)的主流測量方式和安裝在空氣旁通道內(nèi)的旁通道測量方式。

　　熱線式空氣流量計(jì)是利用空氣流過熱金屬線時(shí)的冷卻效應(yīng)工作的。將一根鉑絲熱線置于進(jìn)氣空氣流中，當(dāng)恒定電流通過鉑絲使其加熱后，如果流過鉑絲周圍的空氣增加，金屬絲溫度就會(huì)降低。如果要使鉑絲的溫度保持恒定，就應(yīng)根據(jù)空氣量調(diào)節(jié)熱線的電流，空氣流量越大，需要的電流越大。圖1是主流測量方式的熱線式空氣流量計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。其中R_H是直徑為0.03～0.05的細(xì)鉑絲（熱線），RK是作為溫度補(bǔ)償?shù)睦渚€電阻。R_A和R_B是精密線橋電阻。4個(gè)電阻共同組成一個(gè)惠斯登電橋。在實(shí)際工作中，代表空氣流量的加熱電流是通過電橋中的R_A轉(zhuǎn)換成電壓輸出的。當(dāng)空氣以恒定流量流過時(shí)，電源電壓使熱線保持在一定溫度，此時(shí)電橋保持平衡。當(dāng)有空氣流動(dòng)時(shí)，由于RH的熱量被空氣吸收而變冷，其電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡。此時(shí)，放大器即增加通過鉑絲的電流，直到恢復(fù)原來的溫度和電阻值，使電橋重新平衡。由于電量的增加，R_A的電壓增加，這樣就在RA上得到了代表空氣流量的新的電壓輸出。

圖1　熱線式空氣流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

　　進(jìn)氣溫度的任何變化都會(huì)使電橋失去平衡。為此，在靠近熱線的空氣流中，設(shè)有一個(gè)補(bǔ)償電阻絲（冷線）。冷線補(bǔ)償電阻的溫度起一個(gè)參照值的作用。在工作中，放大器會(huì)使熱線溫度高出進(jìn)氣溫度100℃。熱線式空氣流量計(jì)長期使用，會(huì)使熱線上積累雜質(zhì)。為此，在熱線式流量計(jì)上采用了燒盡措施解決這個(gè)難題。每當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，ECU自動(dòng)接通空氣流量計(jì)殼體內(nèi)的電子電路，熱線被自動(dòng)加熱，使其溫度在1s內(nèi)升高了1000℃。由于燒盡溫度必須是非常精確的，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火4s后，該電路才被接通。這種空氣流量計(jì)由于沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此工作可靠，而且響應(yīng)特性較好；缺點(diǎn)是在空氣流速分布不均勻時(shí)誤差較大。

　　2　便攜式尾氣分析儀

　　2.1　工作原理

　　該分析儀將轉(zhuǎn)速測量單元中的霍耳傳感器的主體固定在摩托車前支架上，磁鐵放在摩托車的輪輞上，通過霍耳傳感器測量摩托車的車速，獲得的車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)送信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理單元。氣體流量測量單元實(shí)時(shí)獲取行駛中摩托車所排尾氣的流量并送信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理單元。車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)和氣體流量信號(hào)最終都在工業(yè)計(jì)算機(jī)主板上得到處理。氣體采樣單元將尾氣采集后經(jīng)粉塵過濾器、水分離器后送給氣體傳感器檢測，氣體傳感器獲取摩托車尾部所排廢氣成份的數(shù)據(jù)，并送信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理單元。信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理單元將獲得的數(shù)據(jù)信息輸送給工業(yè)計(jì)算機(jī)主板，經(jīng)工業(yè)計(jì)算機(jī)主板內(nèi)部存貯的工作程序最終處理，將相關(guān)信息送液晶屏顯示，測量結(jié)果通過微型打印機(jī)輸出。測量時(shí)的一些控制信息通過觸摸屏輸送給工業(yè)計(jì)算機(jī)主板。其原理如圖2所示。

圖2　儀器原理框圖

　　2.2　氣體流量測量

　　我們所采用的氣體流量計(jì)如圖3所示。

圖3　流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　在空氣通道內(nèi)放置熱線，由于其熱量被空氣吸收，熱線本身變冷。隨著熱線周圍的空氣質(zhì)量流量的增大，被帶走的熱量也將增加。熱線式空氣流量計(jì)就是利用熱線與空氣之間的這種熱傳遞進(jìn)行空氣質(zhì)量流量的測量。

　　2.3　流量傳感器的安裝

　　圖4是流量傳感器在測試摩托車上的安裝方式。

圖4　流量計(jì)的安裝

　　3　測量數(shù)據(jù)處理

　　熱線式空氣流量傳感器的輸出與空氣質(zhì)量流量之間是非線性關(guān)系，給測量和標(biāo)定帶來困難，有必要對熱線式空氣流量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。

　　處理方法：1）使用信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行線性化，可方便地得到線性輸出結(jié)果，但所使用的電路較復(fù)雜，調(diào)節(jié)和標(biāo)定困難，所以使用較少。2）首先使用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行精確標(biāo)定，并將結(jié)果進(jìn)行折線或多項(xiàng)式擬合，或制成表格儲(chǔ)存起來，測量時(shí)使用單片機(jī)或計(jì)算機(jī)根據(jù)擬合公式進(jìn)行計(jì)算或查表得到所測流量。

　　3.1　標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　我們使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)來自方正校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，作為校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)其設(shè)備精度。下面是我們標(biāo)定用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（標(biāo)況下的輸出電壓及氣體體積流量）并繪制圖5。

　?。?.02，0.000）、（1.16，3.358）、（1.28，5.443）
　?。?.49，8.829）、（1.71，12.182）、（1.96，17.612）
　?。?.21，24.437）、（2.45，30.666）、（2.65，36.050）
　?。?.83，42.736）、（3.11，49.420）、（3.40，57.985）
　　（3.68，65.111）、（3.89，68.326）、（4.14，76.727）

圖5　流量計(jì)標(biāo)定輸出電壓和體積流量的關(guān)系

　　通過使用最小二乘法擬合7次多項(xiàng)式，可獲得精確的電壓與流量間的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

　　通過C語言編制程序計(jì)算出：

　　再將以上數(shù)據(jù)代入VB6.0編寫的分析儀軟件程序，通過測試界面（圖6所示）顯示出當(dāng)前氣體流量。

圖6　工況法測試界面

　　3.2　測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)流量的比較

　　表1是測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)流量示值，其比較曲線如圖7所示。

圖7　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)流量的比較

　　4　結(jié)論

　　1）在作通用流量計(jì)時(shí)，應(yīng)在流量計(jì)的量程范圍內(nèi)作線性化處理。

　　2）為了更好地把握流量計(jì)的精度，在標(biāo)定時(shí)一定要多取數(shù)據(jù)，特別是要密集型數(shù)據(jù)采集。熱線式傳感器由于它具有測量重復(fù)性好、測量范圍寬、響應(yīng)速度快、體積小、價(jià)格低、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，適合于各種環(huán)境下氣體流量的測量，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中，它作為進(jìn)氣量測量傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。

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