CN102967350A - 一种汽车空气质量流量计的校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车空气质量流量计的校准装置及校准方法，两条以上并联的校准管道串联在一测量管道上，校准管道上有多个被校准流量计接口，测量管道上有通风设施、标准流量计和/或参比流量计、传感器、加热、制冷装置，计算机的数据采集接口与参比流量计、标准流量计、被校准流量计、传感器的信号输出线连接，通讯接口与被校准流量计的数据线连接，控制接口与各设备连接，计算机内部存有转换函数的校正算法。通过对标准流量计和/或参比流量计获得的目标数据和实际测量数据的比较，由计算机校准转换函数并再次存储到被校准流量计的存储空间中，作为以后的标准。本发明可以在不改变硬件结构的基础上，校正流量计的转换函数，比较适用于规模生产。

Description

一种汽车空气质量流量计的校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及一种校准装置和校准方法，具体的说是一种汽车空气质量流量计的校准装置及校准方法。属于汽车技术领域。

背景技术

热式气体质量流量的测量是利用热交换原理来测量空气流量。汽车用空气质量流量计一般采用热式流量计，安装在汽车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，决定汽车的基本喷油量和喷油时间。由于空气质量流量计对整车性能影响很大，直接影响汽车发动机的动力性、经济性、油耗、尾气排放指标等总体性能，所以汽车空气流量计的校准，也成为一项重要的工作。

目前已存在的气体流量标定装置、检定装置，或校验装置，其实质都仅仅是通过装置来检测出被检流量计实际输出与理想输出的差异，以此来判断其可用或不可用，但不能纠正这种差异。

目前绝大部分汽车空气质量流量计是基于热式原理的设计，其传感原理分为两大类，恒温差式和热分布式。恒温差式空气流量计是将热探头上的电阻加热到比气流温度高出一个恒定的温度，当空气流过热探头时，将带走热探头上的热量，流量越大，带走的热量越多，利用测量空气流动所带走的热量来间接测量被测空气的流量。热分布式空气流量计是在发热电阻的上下游分别安置测温结构，当空气流过热探头时，热探头中发热元件周围的温度分布被改变，流体下游的温度高于流体上游的温度，流量越大，流体下游的温度比上游温度高出越多，利用测量发热元件上下游温差来间接测量流体的流量。

不管是恒温差式流量计还是热分布式流量计，都是从热探头获得与流量相关的电信号，即空气流量与输出电压的原始关系，然后用硬件(运算放大器)调理或者软件计算的办法，将这种原始的电压输出特性转变成流量计所要求的电压输出特性，如图1所示，曲线A为热探头输出电压特性曲线，曲线B为流量计输出电压特性曲线，当两条曲线取得一致性时，说明流量与电压输出取得了最佳耦合关系。

在目前的汽车空气流量计生产方法中，对于某一特定型号的流量计，将热探头输出电压特性曲线转换为流量计输出电压特性曲线，其转换函数是固定的。这种生产模式带来的问题是：1.由于固定的转换函数，当热探头生产中出现结构或参数的细微不一致，或热探头装配过程中出现的细微不一致，都可能导致热探头输出电压特性曲线的变化，按照固定的转换函数就必然导致流量计电压输出特性曲线的变化，导致批量生产中流量计电压输出特性的不一致，降低了产品的精度和合格率；2.要保证固定和精确的函数变换关系，当使用硬件(运算放大器)来实现时，必然要求匹配电阻的高度稳定和高精确，因而对于高品质流量计的生产厂家，大量的电阻需要激光调整，提高了生产的成本。3.不同型号的汽车使用不同型号的流量计，不同型号的流量计要求有不同的输出电压关系曲线，这将导致在生产过程中要求设计大量的硬件电路来满足不同型号流量计的需要，使得生产库存成本增加。

上述状况的结果是少数龙头企业依仗其经济实力，采用高起点高成本方式，精确控制生产过程的每个环节，生产高质量的汽车流量传感器，长期垄断汽车流量计市场，而大多中小企业由于无法形成足够的批量而使用低成本的热探头，热探头电阻精度、外形尺寸精度、生产制造工艺，装配精密程度等的微小差异都会对热探头输出电压特征曲线带来足够大的影响，而固定函数的转换方法，当热探头输出电压特征曲线发生变化时则无能为力，加上电路元器参数的不一致和分散性，这样生产出来的流量计的精度和一致性是无法保证的，一旦标定发现不符合质量要求的产品，就只能当次品或废品处理，因而导致大多中小企业生产的流量计品质低下。

在标定校验装置方面，有人提出了一种简易的T型管方式的校验装置，空气发生器产生气流，经T型管后分为两个支路，一路接标准流量计，另一路接被校验流量计，假定气流在两个支路是平均分配的，对比标准流量计和被检流量计的输出电压，就可得出被检流量计与标准流量计的差异。又有人认为T型管结构存在精度、重复性等很多问题。同时认为即使串联结构也不能保证精度，即使在一根管道中，流量计安置位置的不同，由于各种影响因素的作用也会产生误差，即同一流量计在相同流量下安装于管道的不同位置，其输出电压可能因为各种影响因素而不同。根据这种思想，有人提出在标定前，在标准流量计接口和被检流量计接口上均插入标准流量计，其中安置在被检流量计接口上的标准流量计用来测量接口位置的误差，并将这种误差存储在计算机中，在正式标定中用来补偿位置误差。但是该方法无法验证标准流量计本身的一致性，这种方法假定标准流量计是一致标准的，若在相同流量下，标准流量计的输出电压存在差异，那么就认为这种差异是管道位置等因素引起的差异，这种思路存在将标准流量计的误差传递到校验装置的风险，在极端情况下可能反而加大标定的误差。通常这些技术所使用的标准流量计，并不是具有计量传递标准的流量计，而是一些优质品牌的普通汽车空气流量计，因而在这种条件下，这些装置最多也只能校验比优质品牌的流量计低精度等级的汽车空气流量计。

上述校验装置都存在着如下的共同的问题：1.流量标准问题，是否能够提供一个连续发生并具有确定精度的流量是这个问题的关键。2.上述装置仅仅是检测手段，通过检测过程检验生产出的汽车空气流量计是否具有与高质量汽车空气流量计相同的电压输出特性，如前所述，汽车空气流量计中热探头的阻值，几何尺寸，流量计装配过程等一系列因素都将影响热探头的电压输出特性，在大规模生产中很难保证其一致性，按照固定转换函数的处理方法，必然导致流量计的输出电压特征的不一致，这一问题始终没有解决。特别是在使用品质较差的热探头时，这个问题更加严重。

综上所述，这些检测装置，充其量也都仅仅检验流量计是否合格，并不具备校准的功能。

发明内容

为了使批量生产中流量计电压输出特性一致，提高产品的精度和合格率，本发明的目的是提供一种汽车空气质量流量计的校准装置及校准方法，通过计算机与每个被检流量计进行通讯，根据实际测量热探头的原始流量与输出电压的关系，实时调整热探头输出电压与流量计输出电压之间的函数转换关系，使得各个被检流量计电压输出特性与标准流量计的电压输出特性保持一致，即认为各个被检流量计得到了校准。

因此，本发明采取的技术方案是：一种汽车空气质量流量计的校准装置，它由计算机控制，计算机上设置有控制接口、通讯接口、数据采集接口，计算机内部设置有设备控制模块、数据采集模块、数据处理模块、通讯模块、数据处理模块中植有流量计转换函数校正算法，通讯模块中留有各个被校准流量计接口的访问地址；有两条以上并联的校准管道，并联后串联连接在同一测量管道上，所述测量管道有通风设施，测量管道上设置有标准流量计和/或参比流量计，以及温度、湿度、流量、压力、风速测量传感器和加热、制冷装置，所述每一条校准管道与测量管道之间各设置有所述电动阀门，所述校准管道上安装有多个被校准流量计接口，被校准流量计安装于各接口上；计算机的数据采集接口与参比流量计、标准流量计、被校准流量计、传感器的信号输出线连接以进行信号传送；计算机的通讯接口与被校准流量计的数据线连接，向对应被校准流量计传输转换函数算法，存储到对应被校准流量计的非易失存储器中；计算机的控制接口与加热装置、制冷装置、电动阀门、风机设备的控制线连接。

进一步地，在每一所述校准管道上，沿管线长度方向布设有2个以上被校准流量计接口。

所述校准管道的出风口与测量管道的入风口之间连接风机，风机的出口连接测量管道的入口，风机的入口连接校准管道的出口，在所述风机上连接有调速器，所述调速器与计算机控制接口相连。

当所述被校准流量计为无线传输流量计时，计算机的数据采集接口、通讯接口与被校准流量计不需要线连接，所述无线传输流量计包括热探头和控制电路，所述热探头的电压输出端与所述控制电路的A/D转换器输入端连接，并且经过处理器拟合标准流量/电压曲线计算后由D/A转换器输出，控制电路通过原有接口与汽车ECU实现电连接，控制电路与外部计算机进行数据交互，在所述控制电路内设有无线通讯模块，所述处理器通过无线通讯模块与外部校准计算机进行数据交互，所述无线通讯模块与处理器通过数据线及控制线相互连接，所述无线通讯模块包括一个RFID模块，所述RFID模块包括一个RFID芯片以及一个与所述RFID芯片连接的RFID天线，所述RFID天线长度为80-90mm，其包括：

一个与所述RFID芯片连接的中心部，所述中心部包括一个调节所述RFID天线的阻抗的中空倒“凸”字形结构，所述中空倒“凸”字形结构的长度为20-24mm，高度为6-8mm，所述中空倒“凸”字形结构的边框厚度相同，从上之下依次为水平上边框、分别与所述水平上边框相连的第一垂直左边框和第一垂直右边框、与所述第一垂直左边框相连的左侧水平中边框、与所述第一垂直右边框相连的右侧水平中边框、与所述左侧水平中边框相连的第二垂直左边框、与所述右侧水平中边框相连的第二垂直右边框、以及分别与所述第二垂直左边框和所述第二垂直右边框相连的水平底边框，所述RFID芯片连接在所述水平上边框的中心位置，所述中空倒“凸”字形结构以所述水平上边框中点与所述水平底边框中点的连线为对称轴左右对称，所述对称轴同时也是所述RFID天线的对称轴，所述水平底边框具有左右对称的向两侧延伸的延伸部；

在所述中心部两侧对称设置有连接部，所述连接部与所述水平底边框的所述延伸部连接，所述连接部设置有调节所述RFID天线的增益的3-5个连续的相同的“几”字形结构，所述连接部长度为14-21mm，所述“几”字形结构包括依次连接的靠近所述中心部的第一垂直部、第一水平部、第二垂直部，所述第一垂直部与所述第二垂直部之间的距离为1mm，所述“几”字形结构的宽度为4mm，高度为8-12mm，所述第一垂直部、第一水平部、第二垂直部的厚度相同，均为1mm，在所述连接部的距离所述对称轴最远的所述“几”字形结构的所述第二垂直部还连接有一个第一过渡部，所述第一过渡部包括一个与所述连接部的距离所述对称轴最远的所述“几”字形结构的所述第二垂直部连接的第二水平部，一个与所述第二水平部连接的第三垂直部，一个与所述第三垂直部连接的第三水平部；

在所述连接部外侧设置有沿所述对称轴左右对称的用于调节所述RFID天线的增益和定向性的终端部，所述终端部长度为18-20mm，所述终端部包括一个“E”字形结构，所述“E”字形结构高度为8-12mm，包括三个水平部以及与所述三个水平部连接的第四垂直部，所述三个水平部厚度相同，从上到下依次为第四水平部、第五水平部、第六水平部，所述终端部还包括一个与所述第五水平部相连，将所述“E”字形结构与所述第一过渡部的所述第三水平部连接的第二过渡部；所述“E”字形结构的所述第四水平部宽度为3-4mm，所述第六水平部宽度为8-9mm，所述第四垂直部在所述第四水平部与所述第五水平部之间的部分的宽度为11-12mm，所述第四垂直部在所述第五水平部与所述第六水平部之间的部分的宽度为10-11mm。

进一步地，所述被校准流量计的中空倒“凸”字形结构的边框厚度均为1mm，所述第一垂直左边框与所述第一垂直右边框之间的距离为20mm，所述第二垂直左边框与所述第二垂直右边框之间的距离为8mm，所述水平上边框与所述水平底边框之间的距离为4mm，所述水平上边框与所述左侧水平中边框或者所述右侧水平中边框距离为2mm。

进一步地，所述连接部中与所述对称轴距离最近的所述“几”字形结构的所述第一垂直部与所述中空倒“凸”字形结构的间隔为2mm。

一种汽车空气质量流量计的校准方法，包含以下步骤：

1)调整装置进入正常工作状态，预设工作条件，安装被校准流量计到校准管道上；打开其中一条校准管道，其他校准管道关闭；

2)由计算机获取目标数据，其中包含各个校准点流量下的数据，所述目标数据就是指在校正过程中，用于作为标准的空气流量与输出电压的特性关系，

目标数据通过下述三种方式之一获得：

①通过标准空气质量流量计采样皮托管方式获得，并计算出气体质量流量与输出电压的关系；

②通过参比流量计获得：测量每支参比流量计的流量-输出电压特征关系，按照平均值法计算参比流量计的流量-输出电压特征曲线；

③将被校准流量计的理论输出电压特性作为目标数据；

3)由计算机获取被校准流量计的测量数据，所述测量数据就是指被校准流量计在出厂存储的转换函数下，得出的实际流量与输出电压的特性关系。

4)由计算机比较校准点流量下对应的目标数据和测量数据的差异，如果发现两者的输出特性一致，则视为该被校准流量计为合格流量计，其原始存储的转换函数为有效；如果发现两者的输出特性不一致，则校正被校准流量计的转换函数模型，直至测量数据与目标数据一致为止，并将每支流量计的校正函数模型传输到该流量计的非易失存储器中，覆盖原有的转换函数，作为实际工作中的真正转换函数；

采用的校正算法是：

在满程流量的范围内，按照热探头信号大小近似均匀分布取N个校准点Vin0，Vin1......Vinn，Vin0对应零流量时的探头输出电压，Vinn对应流量计最大流量时的探头输出电压，任意两点Vin(i-1)-Vin(i-1)的差值尽可能相等，以提高计算的精度；如果要求输出的电压对应为Vo0，Vo1......Von，其中Vo0对应零流量时的输出电压，Von对应流量计最大流量时的流量计输出电压，由Vin0、Vin1、Vin2、Vin3和对应的Vo0、Vo1、Vo2、Vo3四点可在计算机上回归出二次函数：

Vout1＝A1+B1*Vin+C1*Vin*Vin                    (1)

(1)式中，Vout1表示校准点1处的输出电压，A1、B1、C1为常数；

最后四点Vin(n-3)、Vin(n-2)、Vin(n-1)、Vinn和对应的Vo(n-3)、Vo(n-2)、Vo(n-1)、Von四点可在计算机上回归出二次函数：

Vout(n-3)＝A(n-3)+B(n-3)*Vin+C(n-3)*Vin*Vin     (2)

(2)式中，Vout(n-3)表示校准点n-3处的输出电压，A(n-3)、B(n-3)、C(n-3)为常数；

N+1个校准点的探头输出电压在校准过程中被传送给计算机，计算机根据目标输出电压计算出表达式：

Vout(i)＝A(i)+B(i)*Vin+C(i)*Vin*Vin             (3)

(3)式中i＝1～n-3，Vout(i)表示校准点i处的输出电压，A(i)、B(i)和C(i)为常数；所有常数A(i)、B(i)和C(i)由计算机计算出并传输到流量计的非易失性存储器里；

对于所检测到的探头输出任意电压Vin，流量计根据Vin处于Vin0到Vinn的位置，决定所选取的计算表达式，所有表达式存储到流量计的非易失性存储器里；

5)关闭已经校准完毕的校准管道，打开下一待校准的管道，按照2)～4)步骤校准。

所述校准管道上安装有多支被校准流量计，每一被校准流量计均与计算机相连。

计算机中存储有用来进行校准的各种不同数据，并具有对应的补偿参数。

使用标准皮托管作为校准点流量测量的标准元件，其精度由中国皮托管校验的最高计量机构传递。

步骤3)～4)中，选取9-11个流量校准点，包括零流量和最大流量，将被校准流量计分别插入被校准流量计接口上；计算机控制风机转速从零流量开始，逐步运行到每个校准点流量，计算机记录每个校准流量下流量计热探头的输出电压，同时依据标准流量计的电压输出特征曲线，计算该流量下流量计的理论输出电压，由此形成一系列对应数据组，依据这一系列对应数据组，计算机计算出每支被校准流量计的二次样条插值计算函数模型，再将该模型的参数传输到对应流量计的非易失存储空间，以此作为校准后的转换函数。

本发明由于采取以上的技术方案，其具有的有益效果是：本发明与目前已存在的流量标定装置，或检定装置、校验装置等的不同之处在于：通过装置来检测出被检流量计实际输出与理想输出的差异，并在不改变流量计硬件(包括结构、封装和元器件参数)的条件下，通过改变被校准流量计的软件算法来改变流量计的电压输出特征，使之与理想流量计的电压输出特征曲线一致。装置中的计算机通过测量获得被校准流量计热探头的流量/输出电压原始特征曲线，并根据理想的流量/电压输出特征曲线，形成将原始曲线转化为理想曲线的算法，计算机将这种算法传递到被校准流量计的非易失存储空间中，从而让被校准流量计输出理想的流量/输出电压特征关系。

理论上讲，使用本发明所生产的汽车空气流量计的精度更接近标定装置的精度。本发明所述的装置可以适用于大规模生产应用，设计有两根或多根并联可轮换工作的校准管道，连接在同一条测量管道上，每根校准管道上设计有多个被校准流量计接口，因此产生了一种完全不同于目前的全新的汽车流量计校准方法。

对汽车空气流量计的校准可以按照标准空气质量流量计来进行电压输出特性的校准，也可以根据参比流量计的输出电压特性进行参比校准。

通过输入该流量计探头对应的适用函数快速生产出高精密度的汽车空气质量流量计。经过这样的过程可以将由于机械加工的误差带来的微小差异和不一致性，通过软件在装置调试时精确的测量出来并使用计算机进行补偿，可以进行重复校准。换句话说，即使热探头的原始流量与输出电压的关系不一致，通过本发明的方法，也可以生产出高度一致的最终产品，从而大大降低了生产过程中对探头的工艺要求和对整个生产工艺的苛刻要求，大幅度降低成本。同时解决了前述高端企业在生产汽车空气流量计的过程中存在的问题。

附图说明

图1是流量计热探头和流量计的输出电压特性曲线图；

图2是本发明校准装置的硬件连接示意图；

图3是RFID天线的结构示意图；

图4是图3所示的中心部的放大示意图；

图5是图3所示的左侧的连接部的放大示意图；

图6是图3所示的左侧的终端部的放大示意图。

图中：A-热探头输出电压特性曲线，B-流量计输出电压特性曲线，1-计算机，2-控制接口，3-通讯接口，4-数据采集接口，5、6-校准管道，7-测量管道，8、9、17、18-电动阀门，10-被校准流量计接口，11-加热装置，12-制冷装置，13-传感器，14-参比流量计接口，15-标准流量计接口，16-风机，19-风机调速器，20-RFID天线，21-RFID芯片，22-中心部，221-水平上边框，222-第一垂直左边框，222’-第一垂直右边框，223-左侧水平中边框，223’-右侧水平中边框，224-第二垂直左边框，224’-第二垂直右边框，225-水平底边框，226-延伸部，23、23’-连接部，231、231’-“几”字形结构，23101-第一垂直部，23102-第一水平部，23103、23103’-第二垂直部，232-第一过渡部，23201-第二水平部，23202-第三垂直部，23203-第三水平部，24、24’-终端部，241-“E”字形结构，24101-第四垂直部，24102-第四水平部，24103-第五水平部，24104-第六水平部，242-第二过渡部。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提供的汽车空气质量流量计的校准装置，是由计算机控制的，计算机上设置有控制接口、通讯接口、数据采集接口，计算机内部设置有设备控制模块，数据采集模块，数据处理模块，通讯模块，数据处理模块中植有流量计转换函数校正算法，通讯模块中留有各个被校准流量计接口的访问地址。装置设置有两条以上并联的校准管道，并联后的校准管道串联在同一测量管道上，测量管道有通风设施，在测量管道上设置有标准流量计和/或参比流量计，以及温度、湿度、流量、压力、风速等测量传感器。校准管道上安装有多个被校准流量计接口，用于安装被校准流量计。

计算机的数据采集接口与参比流量计、标准流量计、被校准流量计、传感器的信号输出线连接以进行信号传送；计算机的通讯接口与被校准流量计的数据线连接，向对应被校准流量计传输电压转换函数，存储到对应被校准流量计的非易失存储器中；计算机的控制接口与加热器、制冷器、电动阀门、风机等设备的控制线连接，控制各设备的开启活动。

如图2中所示，作为一个典型的实施例，本校准装置包括计算机1，带有控制接口2、通讯接口3、数据采集接口4。至少两条校准管道：校准管道5和校准管道6，并联地连接到一条测量管道7上，两条校准管道与测量管道之间各有电动阀门8、9控制，电动阀门的控制线连接到计算机的控制接口2上。在校准管道上，沿管线长度方向，布设有2个以上被校准流量计接口10，优选地，均设有4～8个被校准流量计接口，接口中用于插入被校准的流量计，流量计与计算机的通讯接口3、数据采集接口4相连。测量管道7上，设置有加热装置11、制冷装置12、温度/湿度/压力/速度等测量传感器13，加热装置11、制冷装置12的控制线与计算机的控制接口2相连，传感器13的信号输出线与计算机的数据采集接口4相连；测量管道7上还具有参比流量计接口14和标准流量计接口15，两接口上分别安装参比流量计和标准流量计(标准流量计实际上是比被检流量计更高级别的流量计)，参比流量计和标准流量计的信号输出线都连接到计算机的数据采集接口4上。

作为另一种实施例，本装置可以采用闭合循环管道方式通风。在校准管道5、6的出风口与测量管道7的入风口之间连接一风机16，风机的出口连接测量管道7的入口，风机的入口连接校准管道的出口，使三者形成闭合的循环管道，如图2所示的虚线连接部分。进一步地，在校准管道5、6的出风口处也设置两个电动阀门17、18，在风机上连接调速器19，风机16、电动阀门17、18、调速器19均与计算机的控制接口2相连。在需要改变温度的情况下，这种循环方式可以明显降低能耗。

作为另一种实施例，校准管道可以多于两条，也可以增加校准管道上的被校准流量计接口的数量，以提高校准装置的效率。当某一校准管道处于工作状态时，计算机控制校准管道两侧的阀门打开，其他管道关闭；当校准管道上的流量计被更换或安装时，其两侧阀门被关闭。多支被校准流量计在计算机里各自有自己的访问地址，计算机可以同时进行多路通讯。

本发明提及的被校准流量计可以为现有技术下任何形式的流量计，都可以校准。作为一种实施例，当流量计为采用有线形式传输的流量计时，其与计算机的接线方式如前面所述。作为另一种实施例，当流量计采用无线传输形式时，是通过其内设置的无线通讯模块与计算机进行交互的，无线通讯模块与外部校准计算机进行数据交互，这样可以减少流量计的外接引线。由于引线的位置和形态变化都增加了空气通道流场的不确定性，使输出数据相对于原始流量计发生了变化，又由于汽车金属元件很多，对无线通信传输有很强的屏蔽效应，因此，本发明更适用于对一种不增加引线的流量计的校准。流量计的基本结构是必然包括热探头和控制电路的，不增加引线的流量计就是在内部设置一无线通讯模块，与内部处理器通过数据线及控制线相互连接，与外部校准计算机进行数据交互；热探头将电信号输入到控制电路，控制电路将电信号经过A/D转换成数字信号，处理器按照二次或二次以上样条函数插值计算输出电压，并经过D/A转换输出表征流量大小的电压；无线通讯模块包括一个RFID模块，RFID模块中又包括一个RFID芯片以及一个与RFID芯片连接的RFID天线，RFID天线长度为80-90mm。

这样的RFID天线20，如图3所示，包括：

一个与RFID芯片21连接的中心部22，所述中心部22包括一个调节所述RFID天线20的阻抗的中空倒“凸”字形结构，所述中空倒“凸”字形结构的长度L1为20-24mm，高度H1为6-8mm，所述中空倒“凸”字形结构的边框厚度相同，从上之下依次为水平上边框221、分别与所述水平上边框221相连的第一垂直左边框222和第一垂直右边框222’、与所述第一垂直左边框222相连的左侧水平中边框223、与所述第一垂直右边框222’相连的右侧水平中边框223’、与所述左侧水平中边框223相连的第二垂直左边框224、与所述右侧水平中边框223’相连的第二垂直右边框224’、以及分别与所述第二垂直左边框224和所述第二垂直右边框224’相连的水平底边框225，所述RFID芯片21连接在所述水平上边框的中心位置，所述中空倒“凸”字形结构以所述水平上边框221中点与所述水平底边框225中点的连线为对称轴Y左右对称，所述对称轴Y同时也是所述RFID天线20的对称轴，所述水平底边框225具有左右对称的向两侧延伸的延伸部226。

中空倒“凸”字形结构一方面能够调节所述RFID天线20的阻抗，以便与所述RFID芯片的输出阻抗匹配，从而使所述RFID天线获得最大的输出功率，另一方面，所述中空倒“凸”字形结构还能够使所述RFID天线对正前方的方向性增益和穿透性得到加强。

在所述中心部22两侧对称设置有连接部23、23’，参照图3-5，所述连接部23与所述水平底边框225的所述延伸部226连接，所述连接部23设置有调节所述RFID天线的增益的3-5个连续的相同的”几”字形结构231，所述连接部23长度L2为14-21mm，所述“几”字形结构231包括依次连接的靠近所述中心部的第一垂直部23101、第一水平部23102、第二垂直部23103，所述第一垂直部23101与所述第二垂直部23103之间的距离d1为1mm，所述”几”字形结构的长度d2为4mm，高度H2为8-12mm，所述第一垂直部23101、第一水平部23102、第二垂直部23103的厚度相同，均为1mm，在所述连接部23的距离所述对称轴Y最远的所述“几”字形结构231’的所述第二垂直部23103’还连接有一个第一过渡部232，所述第一过渡部232包括一个与所述连接部23的距离所述对称轴Y最远的所述“几”字形结构231’的所述第二垂直部23103’连接的第二水平部23201，一个与所述第二水平部23201连接的第三垂直部23202，一个与所述第三垂直部23202连接的第三水平部23203。

所述连接部23的所述“几”字形结构231能够调节所述RFID天线的增益，使得所述RFID天线在俯仰角度在±45度之间时的方向性增益和穿透性得到加强。

在所述连接部23、23’外侧设置有沿所述对称轴Y左右对称的用于调节所述RFID天线的增益和定向性的终端部24、24’，参照图3、5、6所示，所述终端部24长度L3为18-20mm，所述终端部包括一个”E”字形结构241，所述“E”字形结构241高度H3为8-12mm，包括三个水平部以及与所述三个水平部连接的第四垂直部24101，所述三个水平部厚度相同，均为1mm，从上到下依次为第四水平部24102、第五水平部24103、第六水平部24104，所述终端部24还包括一个与所述第五水平部24103相连，将所述“E”字形结构241与所述第一过渡部232的所述第三水平部23203连接的第二过渡部242。

所述“E”字形结构241的所述第四水平部24102宽度w1为3-4mm，所述第六水平部24104宽度w2为8-9mm，所述第四垂直部24101在所述第四水平部24102与所述第五水平部24103之间的部分的宽度w3为11-12mm，所述第四垂直部24101在所述第五水平部24103与所述第六水平部24104之间的部分的宽度w4为10-11mm。这样能够在保证天线性能的基础上简化天线结构，从而简化生产工艺。

所述终端部24、24’使得所述RFID天线在左右偏转角在±30度之间时的方向性增益和穿透性得到加强。

所述RFID天线可以使用铜，铝或银油墨印刷生产，所述RFID芯片可以是符合国际标准ISO/IEC18000-6C&EPCglobal Class 1 Gen 2，工作频率在Global 840～960MHz的UHF RFID芯片，目前TI、Intel、Philips均有该规格芯片产品。

在实际使用中，这种流量计可以使得校准计算机与其在左右偏转角±30度、俯仰角度±45度，半径7米的范围内有效通信，可使得其在装上车辆后，维修用调试校准计算机与其在与车头左右偏转角±30度、俯仰角度±45度，半径5米的范围内有效通信。

较佳地，所述中空倒“凸”字形结构的边框厚度均为1mm，所述第一垂直左边框222与所述第一垂直右边框222’之间的距离d4为20mm，所述第二垂直左边框224与所述第二垂直右边框224’之间的距离d5为8mm，所述水平上边框221与所述水平底边框225之间的距离h2为4mm，所述水平上边框221与所述左侧水平中边框223或者所述右侧水平中边框223’距离h3为2mm。这样在保证天线性能的情况下，进一步减少对金属材料的需要，简化工艺，降低成本。

较佳地，所述连接部23中与所述对称轴Y距离最近的所述”几”字形结构231的所述第一垂直部23101与所述中空倒“凸”字形结构的间隔d6为2mm。这样能够使天线结构更为紧凑。

本装置依靠计算机来完成对被检流量计的校准，一种利用该装置进行汽车空气质量流量计校准的方法是：

1)调整装置进入正常工作状态，预设工作条件比如温度，压力，风速等至恒定，安装被校准流量计到校准管道上，打开其中一条管道，其他管道关闭。

2)计算机获取目标数据，其中包含各个校准点流量下的数据，所述目标数据就是指在校正过程中，用于作为标准的空气流量与输出电压的特性关系。

目标数据可以通过下述三种方式之一获得：

①通过标准空气质量流量计采样皮托管方式获得，并计算出气体质量流量与输出电压的关系；

②通过参比流量计获得：测量每支参比流量计的流量-输出电压特征关系，按照平均值法计算参比流量计的流量-输出电压特征曲线；

③将被校准流量计的理论输出电压特性作为目标数据。

3)计算机获取被校准流量计的测量数据，所述测量数据就是指被校准流量计在出厂存储的转换函数下，计算得出的实际流量与输出电压的特性关系。

4)计算机比较校准点流量下对应的目标数据和测量数据的差异，如果发现两者的输出特性一致，则视为该被校准流量计为合格流量计，其原始存储的转换函数为有效；如果发现两者的输出特性不一致，则校正被校准流量计的转换函数模型，直至测量数据与目标数据一致为止，校正算法采用现有技术中的任何一种都可以，并将每支流量计的校正后的函数模型传输到该流量计的非易失存储器中，覆盖原有的转换函数，以使每个流量计能够得到针对该个体流量计的探头状态进行校准的校准函数。

5)关闭已经校准完毕的校准管道，打开下一待校准的管道，按照2)～4)步骤校准。

由于校准管道上设置了多个校准口，又由于计算机具有多个被校准流量计的访问地址，所以管道上可以同时进行多支空气流量计的校准，并且一次完成。不同管道以及同一管道上不同位置之间由于各种因素引起的误差量都事先被永久保存在计算机校准软件中，并进行对应的补偿。每个被校准流量计都与计算机实时通讯，用来进行校准的各种不同数据事先输入到校准软件中，校准软件就可以对被校准流量计进行校准或者将标准输出特性曲线移植到被校准流量计中实现校准。

作为一个较好的实施例是，并联设置的几条校准管道，逐条轮流测试，在测试一条管道上的流量计时，其他管道通过阀门截流，当这一条管道测试完毕后，关闭此管道阀门，打开另一管道阀门，进行轮流测试，这样在进行一条管道测试期间，可以准备另一条管道，节省时间，提高了工作效率。

在流量标准问题上，本发明使用标准皮托管作为校准点流量测量的标准元件，其精度由中国皮托管校验的最高计量机构(国家气象局)传递。

根据获取目标数据的方式不同，本发明实施例涉及的校准流程包括两方式，即标准校准方式和参比校准方式。两种方式都是将热探头输出电压特性曲线经过校准输出标准的流量计输出电压特性曲线，但是两种方式的校准参照不同而已。

1.标准校准方式。

所谓标准校准方式，是指以标准气体质量流量计所测量的流量量值为依据而进行的校准方式。

在已知被校准流量计理论电压输出特征曲线的条件下，可以使用标准校准方式来校准汽车空气质量流量计，流量计电压输出特征曲线，可以根据不同流量下流量计对应的理论输出电压的离散点获得，也可以是具体的输出电压(Volt)随流量(kf/h)变化的计算表达式。

假设选取9-11个流量校准点，包括零流量和最大流量，选择校准管道5为工作管道，将被校准流量计分别插入被校准流量计接口10-1，10-2，10-3，10-n上；计算机控制风机转速从零流量开始，逐步运行到每个校准点流量，计算机记录每个校准流量下流量计热探头的输出电压，同时依据标准流量计的电压输出特征曲线，计算该流量下流量计的理论输出电压，由此形成一系列对应数据组，依据这一系列对应数据组，计算机计算出每支被校准流量计的二次样条插值计算函数模型，再将该模型的参数传输到对应流量计的非易失存储空间，以此作为校准后的转换函数。完成校准后，计算机采集的热探头电压数据，均根据非易失存储空间给定的计算方法计算输出电压，通过D/A转换将计算值变为实际电压输出值输出。被校准的流量计在理论上具有与校准装置接近的精度。

上述校准过程计算机自动完成，在此期间，操作人员在非工作管道上进行被校准流量计的安装和拆卸工作，两条校准管道循环工作，以提高装置的效率。

如果流量计需要进行温度补偿，用同样的方法，控制校准装置的气流温度，可以对温度进行补偿校准。

2.参比校准方式。

所谓参比校准，是指校准前并不知道被校准流量计理论的输出电压特征曲线，但具有一定数量的空气质量流量计样品，需要以样品流量计的平均输出特征作为基准进行校准生产。至于标准确定后的校准步骤，与标准校准方式一样。

参比校准可以使用两种方法完成：

1)在不知道参比流量计输出电压特征曲线的情况下，先选择多支参比流量计，测量每支参比流量计的流量-输出电压特征曲线，按照平均值算法计算参比流量计的输出电压特征曲线作为标准，之后与标准校准方式一样，选取9-11个流量校准点，包括零流量和最大流量，选择某一校准管道为工作管道，按照标准方式采样、计算、存储方法进行校准(如上所述)。

2)在已知参比流量计输出电压特性曲线的情况下，直接作为校准基准，按照标准校准方式一样，进行采样、计算、校准、存储即可。只是参比流量计的选择很关键，精度的高低直接决定了校准的效果。

步骤4)中，计算机如果发现校准点流量下对应的目标数据和测量数据有差异，则校正被校准流量计的转换函数模型，直至测量数据与目标数据一致为止。可以采用二次样条插值算法校正：

在满程流量的范围内，按照热探头信号大小近似均匀分布取N个校准点Vin0，Vin1......Vinn，Vin0对应零流量时的探头输出电压，Vinn对应流量计最大流量时的探头输出电压，任意两点Vin(i-1)-Vin(i-1)的差值尽可能相等，以提高计算的精度；如果要求输出的电压对应为Vo0，Vo1......Von，其中Vo0对应零流量时的输出电压，Von对应流量计最大流量时的流量计输出电压，由Vin0、Vin1、Vin2、Vin3和对应的Vo0、Vo1、Vo2、Vo3四点可在计算机上回归出二次函数：

Vout1＝A1+B1*Vin+C1*Vin*Vin。

上式中，Vout1表示校准点1处的输出电压，A1、B1、C1为常数。

最后四点Vin(n-3)、Vin(n-2)、Vin(n-1)、Vinn和对应的Vo(n-3)、Vo(n-2)、Vo(n-1)、Von四点可在计算机上回归出二次函数：

Vout(n-3)＝A(n-3)+B(n-3)*Vin+C(n-3)*Vin*Vin

上式中，Vout(n-3)表示校准点n-3处的输出电压，A(n-3)、B(n-3)、C(n-3)为常数。四点采样是为了保证二次函数的收敛。

对于所检测到的探头输出任意电压Vin，根据Vin处于Vin0到Vinn的位置，决定所选取的计算表达式。

N+1个校准点的探头输出电压在校准过程中被传送给计算机，计算机根据目标输出电压计算出表达式：Vout(i)＝A(i)+B(i)*Vin+C(i)*Vin*Vin。

上式中i＝1～n-3，Vout(i)表示校准点i处的输出电压，A(i)、B(i)和C(i)为常数。所有常数A(i)、B(i)和C(i)由计算机计算出并传输到流量计的非易失性存储器里。

对于所检测到的探头输出任意电压Vin，流量计根据Vin处于Vin0到Vinn的位置，决定所选取的计算表达式，类似的算法也用于温度补偿的计算。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种汽车空气质量流量计的校准装置，其特征在于：由计算机控制，计算机上设置有控制接口、通讯接口、数据采集接口，计算机内部设置有设备控制模块、数据采集模块、数据处理模块、通讯模块、数据处理模块中植有流量计转换函数校正算法，通讯模块中留有各个被校准流量计接口的访问地址；

有两条以上并联的校准管道，并联后串联连接在同一测量管道上，所述测量管道有通风设施，在测量管道上设置有标准流量计和/或参比流量计，以及温度、湿度、流量、压力、风速测量传感器和加热、制冷装置，所述每一条校准管道与测量管道之间各设置有所述电动阀门，所述校准管道上安装有多个被校准流量计接口，被校准流量计安装于各接口上；

计算机的数据采集接口与参比流量计、标准流量计、被校准流量计、传感器的信号输出线连接以进行信号传送；计算机的通讯接口与被校准流量计的数据线连接，向对应被校准流量计传输转换函数算法，存储到对应被校准流量计的非易失存储器中；计算机的控制接口与加热装置、制冷装置、电动阀门、风机设备的控制线连接。

2.根据权利要求1所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征在于：在每一所述校准管道上，沿管线长度方向布设有2个以上被校准流量计接口。

3.根据权利要求1所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征在于：所述校准管道的出风口与测量管道的入风口之间连接风机，风机的出口连接测量管道的入口，风机的入口连接校准管道的出口，在所述风机上连接有调速器，所述调速器与计算机控制接口相连。

4.根据权利要求1所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征在于：当所述被校准流量计为无线传输流量计时，计算机的数据采集接口、通讯接口与被校准流量计不需要线连接，所述无线传输流量计包括热探头和控制电路，所述热探头的电压输出端与所述控制电路的A/D转换器输入端连接，并且经过处理器拟合标准流量/电压曲线计算后由D/A转换器输出，控制电路通过原有接口与汽车ECU实现电连接，控制电路与外部计算机进行数据交互，在所述控制电路内设有无线通讯模块，所述处理器通过无线通讯模块与外部校准计算机进行数据交互，所述无线通讯模块与处理器通过数据线及控制线相互连接，所述无线通讯模块包括一个RFID模块，所述RFID模块包括一个RFID芯片以及一个与所述RFID芯片连接的RFID天线，所述RFID天线长度为80-90mm，其包括：

一个与所述RFID芯片连接的中心部，所述中心部包括一个调节所述RFID天线的阻抗的中空倒“凸”字形结构，所述中空倒“凸”字形结构的长度为20-24mm，高度为6-8mm，所述中空倒“凸”字形结构的边框厚度相同，从上之下依次为水平上边框、分别与所述水平上边框相连的第一垂直左边框和第一垂直右边框、与所述第一垂直左边框相连的左侧水平中边框、与所述第一垂直右边框相连的右侧水平中边框、与所述左侧水平中边框相连的第二垂直左边框、与所述右侧水平中边框相连的第二垂直右边框、以及分别与所述第二垂直左边框和所述第二垂直右边框相连的水平底边框，所述RFID芯片连接在所述水平上边框的中心位置，所述中空倒“凸”字形结构以所述水平上边框中点与所述水平底边框中点的连线为对称轴左右对称，所述对称轴同时也是所述RFID天线的对称轴，所述水平底边框具有左右对称的向两侧延伸的延伸部；

在所述中心部两侧对称设置有连接部，所述连接部与所述水平底边框的所述延伸部连接，所述连接部设置有调节所述RFID天线的增益的3-5个连续的相同的“几”字形结构，所述连接部长度为14-21mm，所述“几”字形结构包括依次连接的靠近所述中心部的第一垂直部、第一水平部、第二垂直部，所述第一垂直部与所述第二垂直部之间的距离为1mm，所述“几”字形结构的宽度为4mm，高度为8-12mm，所述第一垂直部、第一水平部、第二垂直部的厚度相同，均为1mm，在所述连接部的距离所述对称轴最远的所述“几”字形结构的所述第二垂直部还连接有一个第一过渡部，所述第一过渡部包括一个与所述连接部的距离所述对称轴最远的所述“几”字形结构的所述第二垂直部连接的第二水平部，一个与所述第二水平部连接的第三垂直部，一个与所述第三垂直部连接的第三水平部；

在所述连接部外侧设置有沿所述对称轴左右对称的用于调节所述RFID天线的增益和定向性的终端部，所述终端部长度为18-20mm，所述终端部包括一个“E”字形结构，所述“E”字形结构高度为8-12mm，包括三个水平部以及与所述三个水平部连接的第四垂直部，所述三个水平部厚度相同，从上到下依次为第四水平部、第五水平部、第六水平部，所述终端部还包括一个与所述第五水平部相连，将所述“E”字形结构与所述第一过渡部的所述第三水平部连接的第二过渡部；所述“E”字形结构的所述第四水平部宽度为3-4mm，所述第六水平部宽度为8-9mm，所述第四垂直部在所述第四水平部与所述第五水平部之间的部分的宽度为11-12mm，所述第四垂直部在所述第五水平部与所述第六水平部之间的部分的宽度为10-11mm。

5.根据权利要求4所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征在于：所述被校准流量计的中空倒“凸”字形结构的边框厚度均为1mm，所述第一垂直左边框与所述第一垂直右边框之间的距离为20mm，所述第二垂直左边框与所述第二垂直右边框之间的距离为8mm，所述水平上边框与所述水平底边框之间的距离为4mm，所述水平上边框与所述左侧水平中边框或者所述右侧水平中边框距离为2mm。

6.根据权利要求5所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征在于：所述连接部中与所述对称轴距离最近的所述“几”字形结构的所述第一垂直部与所述中空倒“凸”字形结构的间隔为2mm。

7.一种利用如权利要求1～6之一所述装置进行的汽车空气质量流量计的校准方法是，包含以下步骤：

1)调整装置进入正常工作状态，预设工作条件，安装被校准流量计到校准管道上；打开其中一条校准管道，其他校准管道关闭；

2)由计算机获取目标数据，其中包含各个校准点流量下的数据，所述目标数据就是指在校正过程中，用于作为标准的空气流量与输出电压的特性关系，

目标数据通过下述三种方式之一获得：

①通过标准空气质量流量计采样皮托管方式获得，并计算出气体质量流量与输出电压的关系；

②通过参比流量计获得：测量每支参比流量计的流量-输出电压特征关系，按照平均值法计算参比流量计的流量-输出电压特征曲线；

③将被校准流量计的理论输出电压特性作为目标数据；

3)由计算机获取被校准流量计的测量数据，所述测量数据就是指被校准流量计在出厂存储的转换函数下，得出的实际流量与输出电压的特性关系。

4)由计算机比较校准点流量下对应的目标数据和测量数据的差异，如果发现两者的输出特性一致，则视为该被校准流量计为合格流量计，其原始存储的转换函数为有效；如果发现两者的输出特性不一致，则校正被校准流量计的转换函数模型，直至测量数据与目标数据一致为止，并将每支流量计的校正函数模型传输到该流量计的非易失存储器中，覆盖原有的转换函数，作为实际工作中的真正转换函数；

采用的校正算法是：

在满程流量的范围内，按照热探头信号大小近似均匀分布取N个校准点Vin0，Vin1......Vinn，Vin0对应零流量时的探头输出电压，Vinn对应流量计最大流量时的探头输出电压，任意两点Vin(i-1)-Vin(i-1)的差值尽可能相等，以提高计算的精度；如果要求输出的电压对应为Vo0，Vo1......Von，其中Vo0对应零流量时的输出电压，Von对应流量计最大流量时的流量计输出电压，由Vin0、Vin1、Vin2、Vin3和对应的Vo0、Vo1、Vo2、Vo3四点可在计算机上回归出二次函数：

Vout1＝A1+B1*Vin+C1*Vin*Vin                    (1)

(1)式中，Vout1表示校准点1处的输出电压，A1、B1、C1为常数；

最后四点Vin(n-3)、Vin(n-2)、Vin(n-1)、Vinn和对应的Vo(n-3)、Vo(n-2)、Vo(n-1)、Von四点可在计算机上回归出二次函数：

Vout(n-3)＝A(n-3)+B(n-3)*Vin+C(n-3)*Vin*Vin     (2)

(2)式中，Vout(n-3)表示校准点n-3处的输出电压，A(n-3)、B(n-3)、C(n-3)为常数；

N+1个校准点的探头输出电压在校准过程中被传送给计算机，计算机根据目标输出电压计算出表达式：

Vout(i)＝A(i)+B(i)*Vin+C(i)*Vin*Vin             (3)

(3)式中i＝1～n-3，Vout(i)表示校准点i处的输出电压，A(i)、B(i)和C(i)为常数；所有常数A(i)、B(i)和C(i)由计算机计算出并传输到流量计的非易失性存储器里；

对于所检测到的探头输出任意电压Vin，流量计根据Vin处于Vin0到Vinn的位置，决定所选取的计算表达式，所有表达式存储到流量计的非易失性存储器里；

5)关闭已经校准完毕的校准管道，打开下一待校准的管道，按照2)～4)步骤校准。

8.根据权利要求7所述的汽车空气质量流量计的校准方法，其特征在于：所述校准管道上安装有多支被校准流量计，每一被校准流量计均与计算机相连。

9.根据权利要求7所述的汽车空气质量流量计的校准方法，其特征在于：使用标准皮托管作为校准点流量测量的标准元件，其精度由中国皮托管校验的最高计量机构传递。

10.根据权利要求7所述的汽车空气质量流量计的校准方法，其特征在于：步骤3)～4)中，选取9-11个流量校准点，包括零流量和最大流量，将被校准流量计分别插入被校准流量计接口上；计算机控制风机转速从零流量开始，逐步运行到每个校准点流量，计算机记录每个校准流量下流量计热探头的输出电压，同时依据标准流量计的电压输出特征曲线，计算该流量下流量计的理论输出电压，由此形成一系列对应数据组，依据这一系列对应数据组，计算机计算出每支被校准流量计的二次样条插值计算函数模型，再将该模型的参数传输到对应流量计的非易失存储空间，以此作为校准后的转换函数。

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