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空气流量计两种信号的原理与检测

作者:江苏创辉自动化仪表有限公司
空气流量计按传感器信号类型分类分为两种,包括模拟信号型流量计和数字信号型流量计。模拟信号型流量计包括叶片式、热丝式、热膜式和热阻式空气流量计。数字信号型流量计包括卡门漩涡式、热丝式和热膜式空气流量计。其中模拟信号型热丝式、热膜式和热阻式空气流量计与数字信号型热丝式和热膜式空气流量计结构形式类似,但数字型加装了数字转换电路,把信号转换成数字信号输入给电控单元(ECU),而模拟式空气流量计是把电压信号直接输送给电控单元(ECU)。   

1、模拟信号型空气流量计原理及检测 


(1)、可动叶片式空气流量计由2个大部分组成,一是担任检测任务的叶片部分,二是担任转换任务的电位计。在叶片轴上安装有1个电位计,它与叶片同轴旋转,电位计上滑片电阻的变化转变成电压信号输入ECU。此电压与进气量成正比,且呈线性关系。此传感器为三线传感器,其中两条是参考电压的正负端,另一条是滑动电阻活动触点臂。 叶片式空气流量计特点是将燃油泵控制开关、空气温度传感器、CO调节器及空气流量计等功能融为一体,结构较复杂,但精度较高。不过由于叶片具有弹簧阻力增加了进气阻力,使它对发动机在急加速时的响应不够理想,故现在很少使用。   
(2)、热丝式空气流量计是将加热丝均匀分布在计量通道内。传感器用一根铂丝作为热丝电阻和检测环境温度的热敏电阻,安装在进气道检测区域中。热丝通电后产生热量,气流通过热丝时,热丝的热量被冷却,控制热丝上的电流,可以保持热丝上的温度恒定。这样控制电流与进气量有着相应的比例关系,即气流可以改变空气流量计的输出电压。各汽车厂生产的热线式空气流量计输出信号略有差异。德国博世热丝式空气流量计输出信号:怠速时约为2V, 3500r/min时约为3V。福特车用热丝式空气流量计输出信号:未起动时为0-0.5V ,热怠速时为0.5V-1V,热车经济车速时为1.5V-2.5V,节气门全开时为3V-4.7V。 热丝式空气流量计利用热耗散原理制成,其结构简单,没有机械转动零件,使用耐久,精度高,可准确计量空气量。但由于热丝很细(0.010.05mm)且暴露在空气中,在空气高速流动时,空气中的沙粒很容易击断热丝。
(3)、热膜式空气流量计的工作原理与热丝式空气流量计类似,都是用惠斯登电桥工作的。所不同的是:热膜式不使用铂丝作为热线,而是将热线电阻、补偿电阻及桥路电阻用厚膜工艺制作在同一陶瓷基片上构成的。 热膜电阻通电后产生热量,气流通过热膜电阻时,热膜电阻的热量被冷却,控制热膜电阻上的电流,可以保持热膜电阻上的温,度恒定。这样控制电流与进气量有着相应的比例关系,即气流可以改变空气流量计的输出电压,信号电压输入电控单元ECU后,ECU便可根据信号电压的高低计算空气流量的大小。热膜式空气流量计输出信号在0-5V间变化。桑塔纳3000型使用的空气流量计即为热膜式空气流量计,桑塔纳3000电路空气流量计接线图和插头端子如图4所示。   
(4)、热阻式—将加热丝绕成线圈形式固定在石英玻璃管内或暴露在空气通道内。由于热阻式空气流量计热丝被固定,故热线寿命延长,但由于热阻面积很小,只能部分采空气流量,要求空气通道内空气流速均匀,所以常在进气侧安装梳流格栅。 热丝式、热膜式与热阻式空气流量传感器的响应速度很快,能在几毫秒时间内反映出空气流量的变化,因此其测量精度不会受到进气气流脉动的影响(气流脉动在发动机大负荷、低转速运转时***为明显),此外还具有进气阻力小、无磨损部件等优点。热膜式传感器热膜的面积远比热线大,并与热电阻制作在一起,因此不会因沾染污物而影响测量精度。由于热膜式和热阻式空气流量计均是部分采集空气计量空气量,故精度较热丝式较差。另外,热丝式、热膜式和热阻式空气流量计还都易受空气中水分及灰尘的污染,所以在控制电路上都做了专门的设计,每次打开点火开关或关闭点火开关后,流量计中的热丝会由电路提供瞬时大电流加热,使热丝瞬间产生高温(700-1000℃),烧掉污染在热丝、热膜或热阻表面的杂质,保持空气流量计测量精度。 
 
2、数字信号型空气流量计原理及检测 


(1)、卡门旋涡空气流量计分为2种,一种为光电式,一种为超声波式。它是通过采集涡流频率完成空气流速测量,主要是通过光电(如丰田车型)和超声波采集(如韩国现代、日本三菱等)进气涡流,具有进气阻力小、计量准确的特点,但因其结构复杂、不耐振动且造价高,现已逐步被热线式空气流量计取代。 光电式是指在产生卡门旋涡的过程中,旋涡发生器两侧的空气压力会发生变化,通过导孔作用在金属箔上,从而使其振动,发光二极管的光照在振动的金属箔上时,光敏三极管接收到的金属箔上的反射光是被旋涡调制的光,其输出经解调得到代表空气流量的频率信号。 超声波式是指卡门涡流发生器下游管路两侧相对安装超声波发射探头和接收探头。因卡门涡流对空气密度的影响,就会使超声波从发射探头到接收探头的时间较无旋涡变晚而产生相位差。对此相位信号进行处理,就可得到旋涡脉冲信号。卡门涡旋式空气流量计与其它数字式空气流量计不同之处在于他不但改变频率,同时还改变脉冲宽度。当空气流量变化时,电压始终不变,而输出的脉冲频率发生变化,因此不能根据测量电压高低确定流量变化。
(2)、数字信号型热线式和热膜式空气流量计结构与模拟信号性型热线式和热膜式空气流量计结构和工作原理类似。区别是数字型输出的是数字信号而模拟式输出的是电压信号,电脑不用转换可直接使用。通常数字式空气流量计在空气流量增大时频率也随之增加。上海通用别克轿车使用的空气流量计即为数字型热膜式空气流量计,此流量计为三导线型;安装在进气歧管中,流量计通过测量该电流的电压确定空气流量的大小。并通过电路把电压信号转换成频率信号输出给电控单元(ECU),所以电控单元(ECU)接收到的流量计信号分辨率高且性能好。有些车型频率变化范围高,由怠速时的2000Hz左右到发动机ZUI大负荷时的8000Hz左右,例如奇瑞东方之子怠速时3000Hz到节气门全开时7000Hz。有些车型频率较低,范围是10Hz -r150Hz,例如现代伊兰特轿车怠速频率为30Hz-40Hz 。 数字信号型空气流量计信号电压一般是5V或12V。当空气流量变化时,电压始终不变,而输出的脉冲频率发生变化,因此不能根测量电压高低确定流量变化。检测时用万用表找到流量计的频率信号输出线,将汽车万用表打到“DC”挡,按SELECT功、能选择键转换成“DC+Hz”挡。起动发动机逐渐加速观察,主显示直流电压和副显示上的频率,是否随转速变化而变化,一般的数字信号型的空气流量计随着进气量的增加频率也在改变,但脉冲宽度不变。如检测卡门涡旋式空气流量计需注意它不但改变频率,同时还改变脉冲宽度。
 
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