CN101551262A - 数字式空气流量计的空气流量检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式空气流量计的空气流量检测电路，其桥式分电路(1)为线性化电桥分电路，其中测速电阻R4为薄膜应变片，测温电阻RK为负系数热敏电阻，该测温电阻RK与电阻R2串联后再由测温电阻RK、电阻R2与电阻R3并联；其比例放大分电路(2)又与数据处理及滤波分电路(3)电连接，该数据处理及滤波分电路对经比例放大分电路输出的空气流量信号完成模拟信号向数字信号转换，然后通过程序查表得到理想输出值，通过控制脉宽调制的占空比来得到数字信号的输出，最后由低通滤波子电路获得模拟量输出而送入发动机控制计算机。从而能正确地、精确地测定每一瞬间吸入电喷发动机的空气流量。且操作自动方便、信号输送速度快、工作效率高。

Description

数字式空气流量计的空气流量检测电路

一、技术领域

本发明涉及一种汽车用的空气流量计，具体地说是涉及一种汽车空气流量计的空气流量检测电路。

二、背景技术

空气流量计是安装在汽车汽油滤清器和节气门之间的进气通道上，用来测量吸入发动机中的空气流量，其输出信号作为汽车发动机燃油电喷系统中控制燃油喷射量的主要参数，决定着汽车的基本喷油量。电喷发动机为了在各种运行工况下都能获得最佳燃油浓度的混合气，必须正确地、精确地测定每一瞬间吸入电喷发动机的空气流量，作为电控单元计算并控制喷油量的主要依据。

目前，公知的空气流量计主要以热丝式和热膜式为主，这些热式(热丝式或热膜式)空气流量计是在测量管路中加入两个金属铂电阻，其中一个铂电阻通入较小的电流(电流在4mA以下，不会引起电阻发热)，用于测量被测流体温度，称为测温电阻；另一个铂电阻通入较大电流(电流一般在50mA以上)，用于测量被测流体的速度，称为测速电阻。根据热扩散原理，加热物体被流体带走的热量与加热物体与流体的温差、流体的流速以及流体的性质有关。若流体密度为ρ，流速为v，加热物体被流体带走的热量为Q，加热物体与流体的温差为ΔT，则其关系式为：

$Q/\mathrm{\ΔT}=k_1+k_2{\left(\mathrm{\ρv}\right)}^{k_3}---\left(1\right)$

式(1)中，对于组份一定的流体，k₁，k₂，k₃为常数。在横截面为S的管路中，质量流量q_m＝ρvS。

在实际测量过程中，测速铂电阻Rh被输入电流I加热，在热平衡状态下，电流的加热功率与加热电阻被流体带走的热量处于平衡状态，即有：Q＝I²Rh。因此，质量流量q_m与Rh/ΔT成一一对应的关系，可表示为：

$q_m=f\left[\frac{I^2\mathrm{Rh}}{\mathrm{\ΔT}}\right]---\left(2\right)$

由此可以看出，质量流量的测量方法有两种：一种方法为恒流式，即当加热电流I不变时，通过测出流体的温差ΔT(忽略了Rh随温度的变化)来计算流体的质量流量；另一种方法为恒温差式，表面上是保持加热铂电阻与测温铂电阻的温差ΔT不变，实际上是通过一个桥式电路保持加热铂电阻和测温铂电阻的温差ΔT与加热铂电阻Rh的比值ΔT/Rh不变，通过测量加热电流I来计算流体的质量流量。采用恒温差方式，利用桥式电路使ΔT/Rh为恒定，通过实验标定出质量流量q_m与加热电流I的关系曲线，这样通过测出的电流值I就可以来计算流体的质量流量q_m。

上述的热式空气流量计应用恒流式质量流量的测量方法，由简单的惠斯顿电桥电路、温度补偿电路和比例放大电路对空气流量进行检测，信号输出值精度不高，不能准确地反映发动机进气量瞬间的变化，对发动机的工作性能影响很大。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述的不足，而提供一种能正确地、精确地测定每一瞬间吸入电喷发动机的空气流量的数字式空气流量计的空气流量检测电路。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：一种数字式空气流量计的空气流量检测电路，包括互相电连接的桥式分电路、比例放大分电路，所述的桥式分电路为线性化电桥分电路，其中测速电阻R4为薄膜应变片，测温电阻RK为负系数热敏电阻，该测温电阻RK与电阻R2串联后再由测温电阻RK、电阻R2与电阻R3并联；所述的比例放大分电路又与数据处理及滤波分电路电连接，该数据处理及滤波分电路对经比例放大分电路输出的空气流量信号在数据采集端口完成模拟信号向数字信号的转换，然后通过程序查表得到理想的输出值，通过控制脉宽调制PWM的占空比来得到数字信号的输出，最后由低通滤波子电路获得模拟量输出。

所述的数据处理及滤波分电路依次由晶振Q3及单片机U2、开关子电路、RC充放电回路、电压跟随器和滤波子电路组成，其包括单片机U2、晶振Q3、运算放大器U1B、三极管Q2、电阻R15-R19、电容C2和C3。

采用本发明后，采用恒温差方式，利用线性化电桥分电路使ΔT/Rh为恒定，其中线性化电桥分电路实现了加热电阻(Rh)与测温电阻(RK)的温差保持恒定。当空气的质量流量发生变化时，电桥失去平衡，控制电路测量出不平衡电压，通过改变加热电流，使电桥重新处于平衡状态，加热电流通过电阻(R2)转化成电压信号，然后通过比例放大分电路传送给单片机(不再需要原有的温度补偿电路)。由单片机软件进行数据校正后，产生一输出电压，并经过滤波子电路输出而送入汽车的发动机控制计算机(ECU)，由ECU通过软件计算出空气质量流量。从而就能正确地、精确地测定每一瞬间吸入电喷发动机的空气流量。并且操作自动方便、信号输送速度快、工作效率高。

四、附图说明

下面结合附图与实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1为本发明数字式空气流量计的空气流量检测电路原理图。

图2为本发明的电路框图。

图3为图1中的数据处理及滤波分电路的信号处理流程图。

图4为公知的桥式电路图。

五、具体实施方式

参照图1、图2可知，本发明数字式空气流量计的空气流量检测电路，包括互相电连接的桥式分电路1、比例放大分电路2，所述的桥式分电路1为线性化电桥分电路，其中测速电阻R4为薄膜应变片，测温电阻RK为负系数热敏电阻，该测温电阻RK与电阻R2串联后再由测温电阻RK、电阻R2与电阻R3并联；所述的比例放大分电路2又与数据处理及滤波分电路3电连接。

参照图1、图2、图3，所述的数据处理及滤波分电路3依次由单片机U2(其型号：pic12f683)及晶振Q3、开关子电路4、RC充放电回路5、电压跟随器6和滤波子电路7组成，其包括单片机U2、晶振Q3、运算放大器U1B、三极管Q2、电阻R15-R19、电容C2和C3。其中单片机U2的2脚与3脚接晶振Q3(晶振Q3的另一脚接地)，其5脚接电阻R15，电阻R15的另一脚分别接电阻R16和三极管Q2的基极，电阻R16的另一脚和三极管Q2的发射极均接地，三极管Q2的集电极通过电阻R17接到5V电源上，所述的电阻R15、R16、R17和三极管Q2构成开关子电路4；电阻R18的一脚接到三极管Q2的集电极，其另一脚分别接运算放大器U1B的5脚和电容C2，电容C2的另一脚接地，所述的电阻R18和电容C2构成RC充放电回路5；运算放大器U1B的6、7脚接在一起，运算放大器U1B的7脚通过电阻R19接输出端1-5V，电容C3的一只脚接输出端1-5V，其另一只脚接地，所述的运算放大器U1B构成电压跟随器6，所述的电阻R19和电容C3构成滤波子电路7。

所述的开关子电路4的作用是：将单片机U2输出的脉宽调制PWM波形放大，提高驱动负载的能力；RC充放电回路5的作用是：将矩形波转换成直流电压；电压跟随器6的作用是：提高输出信号的驱动能力；滤波子电路7的作用是：防止外部信号对输出信号的干扰，起到了数字信号向模拟信号转换的功能。

参照图1、图3，所述的数据处理及滤波分电路3中的单片机U2对经比例放大分电路2输出的空气流量信号在数据采集端口完成模拟信号向数字信号的转换，然后通过程序查表得到理想的输出值，通过控制脉宽调制(PWM)的占空比(高低电平的百分比)来得到数字信号的输出，最后由低通滤波子电路获得模拟量输出。单片机软件设计利用C语言进行模块化编程，软件由主程序、A/D采样程序、数字滤波程序、运算处理程序、PWM输出程序等组成。数字滤波程序对采样得到的数据进行平均滤波算法处理，以减少干扰。根据在不同环境下试验所取得的不同数据，加以数学处理后，得到环境温度和标准输出的关系，运算处理程序则根据这一关系进行环境温度补偿处理，然后由D/A输出。系统上电后，单片机复位，进行系统初始化，而后依次调用各功能模块程序，其控制系统主程序流程见图3。

参照图4所示，功率管Q1起电流放大作用。当电路接通电源时，电阻R9导通，功率导通，电路给电桥供电。当电桥不平衡时，图4中A、B两点处的电压不相等，其差值经放大子电路(由运算放大器U1D和电阻R7组成)放大后输入到达林顿管Q1的基极，从而增加其射极的输出，使加在电桥上的电压增大，从而通过电阻Rh的电流增大，电阻Rh温度升高，其阻值随着增大，当R1×R4＝Rh×RK时，A、B两点处电压相等，电桥达到动态平衡状态。若环境温度改变，则RK改变，电桥平衡状态被破坏，通过电阻Rh的电流改变，电阻Rh的阻值随着改变，电桥达到新的平衡态。

如前所述，质量流量q_m与Rh/ΔT成一一对应的关系，可表示为：

$q_m=f\left[\frac{I^2\mathrm{Rh}}{\mathrm{\ΔT}}\right]---\left(3\right)$

根据传热学原理，在强制对流的冷却作用下，发热元件在单位时间里散失的热量H和发热元件与空气的温度差ΔT成正比，如下所示：

H＝hSΔT    (4)

式(4)中，h是发热元件的热导率；S是发热元件的表面积。

而热导率是一个与空气、热膜有关的参数。另一方面，在热平衡状态下，散热量与发热量相等，H＝RhI²。由此，考虑到各种参数，可得质量流量q_m与Rh/ΔT的关系式为：

$q_m=\frac{\mathrm{Rh}}{{\mathrm{KK}}_r\mathrm{\ΔT}}{I}^4---\left(5\right)$

式(5)中，K为常数，而K_T是随着温度的升高而增大的，其温度系数为0.15～0.18％/℃。故该方案中控制电路保证

为恒定值，以使流量的大小仅与电流大小的四次方成正比。

由于空气流量传感器的输出应仅与空气流量为一一对应关系而与温度高低无关，因此为保证电桥的输出不因环境温度的改变而改变，我们需要在另一桥臂的下半桥上接入一测温电阻，以消除温度对输出的影响。为了降低设计成本，本项目中选用负系数(NTC)热敏电阻RK代替铂电阻来测量环境温度。为提高热敏电阻的线性化效果，可采用串并联电阻双重线性化的方法。NTC热敏电阻是一种氧化物的烧结体，具有负温度系数，与金属铂电阻相比，电阻温度系数大，灵敏度约为金属铂电阻的10倍，结构简单，电阻率小，适于动态测量。

当温度变化时，要使电阻RT线性变化，其中，电阻R2为要串联的电阻，电阻R3为要并联的电阻，电阻RK为NTC热敏电阻。由图1可知：

RT＝(RK+R2)/R3    (6)

直接将恒温差控制电桥上精密电阻R4两端的电压作为流量计的输出。这种方法简单、直观，空气流量计的输出和加热电流的变化直接联系在一起，更能精确反映流体流量的大小。由于新的线性化电桥分电路控制方案对电桥电阻匹配、热敏电阻的线性化做了优化，在温度变化的情况下，电阻R4上的电流基本可以保持不变，即输出电压不受温度变化的影响，因此不再需要原有的温度补偿电路，直接以电阻R4两端的电压输出信号的量度，只需要通过一个比例放大器就可达到预定的效果。

如图所示，本发明工作原理为：线性化电桥分电路实现了加热电阻与测温电阻的温差保持恒定。当空气的质量流量发生变化时，电桥分电路会失去平衡，控制电路测量出不平衡电压，通过改变加热电流，使电桥分电路重新处于平衡状态，加热电流通过电流测量电路转化成电压信号，然后通过比例放大分电路，传送给数据处理及滤波分电路的单片机(不再需要原有的温度补偿电路)。该单片机包含一个10位ADC、1个10位的电压输出DAC，它是一个完整的数据采集微系统，其内部的10位A/D转换周期仅4μs，D/A的建立时间为15μs。由单片机软件进行数据校正后，经过D/A产生一输出电压，并经过滤波子电路输出而送入汽车ECU，由电脑通过软件计算出空气质量流量。

Claims (6)

1、一种数字式空气流量计的空气流量检测电路，包括互相电连接的桥式分电路(1)、比例放大分电路(2)，其特征在于：所述的桥式分电路(1)为线性化电桥分电路，其中测速电阻R4为薄膜应变片，测温电阻RK为负系数热敏电阻，该测温电阻RK与电阻R2串联后再由测温电阻RK、电阻R2与电阻R3并联；所述的比例放大分电路(2)又与数据处理及滤波分电路(3)电连接，该数据处理及滤波分电路(3)对经比例放大分电路(2)输出的空气流量信号在数据采集端口完成模拟信号向数字信号的转换，然后通过程序查表得到理想的输出值，通过控制脉宽调制PWM的占空比来得到数字信号的输出，最后由低通滤波子电路获得模拟量输出。

2、如权利要求1所述的数字式空气流量计的空气流量检测电路，其特征在于：所述的数据处理及滤波分电路(3)依次由晶振Q3及单片机U2、开关子电路(4)、RC充放电回路(5)、电压跟随器(6)和滤波子电路(7)组成。

3、如权利要求2所述的数字式空气流量计的空气流量检测电路，其特征在于：所述的数据处理及滤波分电路(3)包括单片机U2、晶振Q3、运算放大器U1B、三极管Q2、电阻R15-R19、电容C2和C3。

4、如权利要求3所述的数字式空气流量计的空气流量检测电路，其特征在于：所述的单片机U2的2脚与3脚接晶振Q3，其5脚接电阻R15，电阻R15的另一脚分别接电阻R16和三极管Q2的基极，电阻R16的另一脚和三极管Q2的发射极均接地，三极管Q2的集电极通过电阻R17接到5V电源上，所述的电阻R15、R16、R17和三极管Q2构成开关子电路(4)，开关子电路(4)的作用是将单片机U2输出的脉宽调制PWM波形放大，提高驱动负载的能力。

5、如权利要求3所述的数字式空气流量计的空气流量检测电路，其特征在于：所述的电阻R18的一脚接到三极管Q2的集电极，其另一脚分别接运算放大器U1B的5脚和电容C2，电容C2的另一脚接地，所述的电阻R18和电容C2构成RC充放电回路(5)，RC充放电回路(5)的作用是将矩形波转换成直流电压。

6、如权利要求3所述的数字式空气流量计的空气流量检测电路，其特征在于：所述的运算放大器U1B的6、7脚接在一起，运算放大器U1B的7脚通过电阻R19接输出端1-5V，电容C3的一只脚接输出端1-5V，其另一只脚接地，所述的运算放大器U1B构成电压跟随器(6)，所述的电阻R19和电容C3构成滤波子电路(7)；电压跟随器(6)的作用是提高输出信号的驱动能力，滤波子电路(7)的作用是防止外部信号对输出信号的干扰，起到了数字信号向模拟信号转换的功能。

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