發(fā)動(dòng)機熱膜式空氣流量計設計與試驗研究

針對目前國內船用雙燃料發(fā)動(dòng)機空氣流量計設計較少以及模擬電路設計方案難以適用的問(wèn)題，對流量計控制電路存在的缺陷以及非線(xiàn)性誤差進(jìn)行了研究，設計了一種基于MC9S08QD4單片機的發(fā)動(dòng)機熱膜式空氣流量計。在充分利用芯片內部的硬件資源基礎上，開(kāi)發(fā)了熱膜傳感單元輸出模擬信號采集、模/數轉化以及流量信號輸出控制等電路。同時(shí)，針對流量信號存在對環(huán)境溫度交叉敏感等問(wèn)題，采取了基于查表的自動(dòng)標定方法和基于多項式擬合的誤差補償方法。對該設計進(jìn)行了與標準流量計的性能對比試驗和發(fā)動(dòng)機不同工況下的性能對比試驗。試驗結果表明，該設計能有效減小的非線(xiàn)性誤差影響以及減少工況變化對測量精度的影響，有利于實(shí)現空氣流量計的自動(dòng)化和智能化。

0 引言

空氣流量計（AFM）一般安裝在空氣濾清器和節氣門(mén)體之間，用來(lái)測量吸入發(fā)動(dòng)機中的空氣量的多少，作為確定燃油噴射量的主要參數，對保證發(fā)動(dòng)機的正常運轉、提高燃油經(jīng)濟性起到至關(guān)重要的作用。熱膜式空氣流量計的功能是建立在熱平衡原理基礎上，采用硅膜或者其他材料制造熱膜，配合相應電路板實(shí)現空氣流量到電壓信號的轉換。長(cháng)期以來(lái)空氣質(zhì)量流量計的知識產(chǎn)權和專(zhuān)利技術(shù)一直掌握在國外某些大型汽車(chē)零配件制造商手中，國內熱膜式空氣流量計產(chǎn)品仍然以模擬輸出型為主，相關(guān)文獻也主要以模擬流量計分析、新型電路設計等為主。

熱膜式空氣流量計具有很明顯的非線(xiàn)性特性而容易導致輸出誤差，針對這種動(dòng)態(tài)特性的非線(xiàn)性問(wèn)題，目前大多僅從機理上研究和證明，尚未提出過(guò)相應的解決思路。XUKe-jun等提出以綜合信息方法分析了空氣流量傳感器在不同進(jìn)氣量下的特性，用于進(jìn)氣量的控制；王肖芬用時(shí)變自回歸滑動(dòng)平均RMA均模型描述AFM傳感器的動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性特性，預測傳感器的響應，但這些方法計算復雜，難以實(shí)現，也不利于傳感器的動(dòng)態(tài)校正。美國專(zhuān)利采用電控單元中的查表式算法，對于特定的傳感器應用提供一種線(xiàn)性校正方法，但改進(jìn)思路是在發(fā)動(dòng)機控制算法上進(jìn)行控制，對于不同傳感器，其效果并不能得以很好地體現，而且不易實(shí)現通用化和產(chǎn)品化。

本研究針對上述問(wèn)題進(jìn)行某船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機使用的空氣流量計的優(yōu)化設計，由于使用環(huán)境對傳感器結構布置的特殊要求，模擬信號直接傳送較為困難而且影響傳送精度，因此筆者采用微處理器與熱膜傳感單元接合的數字輸出型設計。

1 系統硬件電路設計

傳感器主要組成包括惠斯登電橋電路、電橋自動(dòng)平衡電路、功率放大電路、微處理器電路（含A/D轉換）、D/A轉換電路以及信號輸出電路等，智能空氣流量計電路結構框圖如圖1所示。

圖1 智能空氣流量計電路結構框圖

主體電路采用了反饋電路，工作時(shí)，當熱膜電阻與空氣之間的熱交換發(fā)生變化時(shí)，熱膜溫度發(fā)生改變，引起熱膜電阻值發(fā)生相應的變化，并且空氣質(zhì)量流量越大，被帶走的熱量也就越多，其電阻值減小越多。因此電路中輸入到運算放大器的電壓也隨之而變，由于輸入到運算放大器的電壓變化將引起反饋放大器電壓發(fā)生改變，結果通過(guò)熱膜的電流隨之改變，直到熱膜的溫度恢復原值，惠斯登重新恢復平衡。這時(shí)供給電橋的電壓己經(jīng)發(fā)生了變化，因此電橋電壓的變化能反映空氣的流量的變化，這個(gè)橋路電壓作為測量空氣流量的電信號引入帶有A/D轉換功能的微處理器電路進(jìn)行處理，將電橋輸出電壓信號轉換為數字信號，然后經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化處理后，輸出電壓信號，成為輸出信號供ECU作為判斷信號使用。

1.1 微處理器的選擇

本研究選用Freescale的MC9S08QD4汽車(chē)級芯片作流量計的微處理器，主要基于如下原因：

（1）芯片內含8位A/D轉換器，能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機控制精度要求。該設計所適用的發(fā)動(dòng)機進(jìn)行空燃比計算時(shí)，若采用雙區或多區燃燒模型對燃燒過(guò)程進(jìn)行循環(huán)計算，準確性高但計算量大，所以只用作離線(xiàn)計算，而在實(shí)際運行時(shí)筆者采用對實(shí)驗數據的擬合數學(xué)模型進(jìn)行計算，因此選擇與其運算與處理要求相適應的處理器。

（2）作為一種經(jīng)濟型微處理器，其內含HCS08系列內核、時(shí)鐘以及總線(xiàn)接口與流量計的需求接口和功能相適應�？纱蟠鬁p小系統設計的外圍接口，同時(shí)不至于引起處理器接口的浪費。

（3）該芯片具有應用于汽車(chē)的背景而且體積非常小，能耐受并適應流量計的特殊使用環(huán)境。

1.2 微處理器與信號輸出電路

微處理器與信號輸出電路如圖2所示，經(jīng)過(guò)第一級差動(dòng)放大器的電橋輸出信號被輸入到微處理器的兩個(gè)A/D轉換接口。微處理器對信號進(jìn)行計算和處理后輸出給D/A轉換器。D/A轉換器按照時(shí)序將數字量改變?yōu)槟�擬量，與其相連的運算放大器對來(lái)自D/A轉換器的電壓信號進(jìn)行放大產(chǎn)生一定大小的電流輸出，利于保證流量計與ECU之間信號傳輸的健壯性。

圖2 微處理器以及信號輸出外圍電路

1.3 電橋自動(dòng)平衡電路

電橋自動(dòng)平衡電路如圖3所示，當熱膜電阻與空氣之間的熱交換發(fā)生變化時(shí)，熱膜溫度發(fā)生改變，引起熱膜電阻值發(fā)生相應的變化。此時(shí)電橋不再處于平衡狀態(tài)，輸出電壓也改變。改變后的電壓經(jīng)過(guò)運算放大器的多級放大后控制電橋的輸入電壓，使通過(guò)熱膜電阻的電流隨著(zhù)變化，直到熱膜的溫度恢復原值，惠斯登重新恢復平衡。這時(shí)電橋輸出電壓與通過(guò)熱膜電阻的流體質(zhì)量流量相關(guān)，通過(guò)測量電橋輸出電壓，可經(jīng)換算得出空氣的質(zhì)量流量。

電橋自動(dòng)平衡電路的輸出電壓信號進(jìn)入功率放大電路，由其變?yōu)殡娏餍盘柟┙o惠斯登電橋的輸入端。由于輸入信號含同相電壓，第一級采用差動(dòng)放大，以提高抗共模干擾能力。為了提高電橋輸出端的增益，輸出端的電壓采用了多級放大的方式，通過(guò)配合不同反饋電阻值，可以調節輸出端的電壓增益的大小。

圖3 電橋自動(dòng)平衡電路

2 系統自動(dòng)標定

空氣質(zhì)量流量計整個(gè)電路裝在管道中，受環(huán)境溫度影響較大，空氣的熱傳導、密度、粘性以及空氣與熱膜電阻之間的溫差都與空氣溫度緊密相關(guān)，空氣溫度的改變必然會(huì )導致流量計輸出信號的改變，所以空氣質(zhì)量流量計要進(jìn)行標定。

系統將流量計電橋電壓與流量之間的標準對應關(guān)系建立對應表格，找出流量計固有誤差與輸出值之間的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現自動(dòng)標定。在流量計的數據庫中，預先存放了標準流量計不同測試點(diǎn)的電壓值、流量值以及相鄰兩個(gè)測試點(diǎn)之間直線(xiàn)斜率，數據按每3個(gè)為一組的形式儲存起來(lái)。標定時(shí)，流量計輸出電壓信號經(jīng)過(guò)微處理器的A/D轉換后，將該值與存儲單元中的電壓值進(jìn)行多次重復比較，直到被調用的測試點(diǎn)的數值超過(guò)傳感器的實(shí)際輸出值并與之最為接近，依此讀出標準流量以及相鄰兩測試點(diǎn)的斜率，并以此計算流量計的輸出值，具體實(shí)現程序如圖4所示。

圖4 自動(dòng)標定程序流程示意圖

標定后的空氣質(zhì)量流量計的實(shí)時(shí)電壓、實(shí)時(shí)流量即可根據標定對應關(guān)系進(jìn)行修正后輸出，而且不受空氣密度影響，所以在海拔高的地區通用也無(wú)需另作標定。

3 輸出信號誤差與矯正

電路中使用的運算放大器具有低漂移、高增益特性，元件參數不可能絕對對稱(chēng)，會(huì )產(chǎn)生失調電壓且其大小與環(huán)境溫度有關(guān)。另一方面，環(huán)境溫度的變化也會(huì )影響熱膜電阻的熱耗散率，進(jìn)而影響傳感器的輸出電壓，因而電路中設有溫度補償電阻來(lái)補償因電阻加工等原因而引起的固有誤差。溫度補償電阻加工精度要求很高，加工誤差也會(huì )影響到補償電阻處的電壓值，而且由于電阻熱敏系數具有非一致性，存在對溫度的交叉敏感，使該電壓還與環(huán)境溫度、空氣流速都有關(guān)系，空氣流量存在因工況不一致引入的誤差。

為了在程序中矯正上述非線(xiàn)性誤差，本研究將電橋中溫度補償電阻處的電壓值引入微處理器，根據標準流量計在實(shí)際工況下的測試結果計算測量偏差，找出系統因補償電阻引起的固有誤差與流量計輸出之間的關(guān)系，進(jìn)而對流量計的輸出值進(jìn)行誤差補償，設x_i為溫度補償電阻電壓值，令誤差補償f（x）用多項式表示為：

    （1）

設y_i為流量計實(shí)際工況下的測量偏差，因此，誤差補償值要使式（2，3）中的偏差e的平方和E為最�。�

    （2）

    （3）

根據極值理論，要使E達到最小，必須使：

    （4）

根據上式可建立方程組，通過(guò)解方程組可得各階多項式系數，從而求得多項式擬合曲線(xiàn)。對流量計進(jìn)行多項式誤差補償后，即可使流量計測量精度控制在允許范圍內。而且對于不同管徑、不同流量范圍的空氣質(zhì)量流量計，無(wú)需進(jìn)行硬件上的改動(dòng)，而是直接通過(guò)對微處理器的運算程序以及查表數據進(jìn)行改動(dòng)就可以改變誤差補償值，使流量計在硬件性能變化或工況改變時(shí)保持原有精度。

4 測試結果與分析

該流量計設計精度為1%，量程為0~500kg/h，為了對空氣流量計的綜合性能進(jìn)行分析，對空氣流量計的測試分為靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試兩部分進(jìn)行。靜態(tài)性能測試是使流量計通過(guò)一定流量的空氣并使空氣流量平穩的變化，測量傳感器的輸出與真實(shí)值之間的關(guān)系即電壓流量關(guān)系，測得的流量計與標準流量計電壓流量曲線(xiàn)關(guān)系如圖5所示。

圖5 流量計輸出特性圖

被測流量計靜態(tài)性能曲線(xiàn)和標準流量計測得曲線(xiàn)最大差值在0.2V以?xún)�；�?dòng)態(tài)測試通過(guò)流量計的空氣流量發(fā)生突變時(shí)流量計的響應時(shí)間來(lái)描述，實(shí)際測量值為10ms。綜合結果表明了性能符合要求。

本研究對該空氣流量計進(jìn)行溫度對比試驗，熱膜電阻設計在工作溫度下（95℃）電阻值為5Ω。筆者取兩臂電阻之比為1∶300，在相同空氣流量條件下選溫度80℃，與20℃時(shí)的電壓誤差進(jìn)行比較，得到不同流量下的誤差值的變化曲線(xiàn)如圖6所示。圖6中，之所以在小流量范圍內誤差較大，是由于流體特性和熱輻射所造成的，而系統在一定流量范圍內可以達到誤差總和最小，從而保證所需的精度范圍。

圖6 溫度對比誤差變化圖

5 結束語(yǔ)

本研究結合雙燃料船舶為發(fā)動(dòng)機設計熱膜式空氣流量計，用微控制器與運算放大器、功率放大器以及信號輸出電路等硬件結構實(shí)現了流量計的使用可靠性。筆者采用查表方法對信號進(jìn)行處理，實(shí)現了流量計自動(dòng)標定和校準功能。針對傳感器的非線(xiàn)性誤差，本研究充分利用處理器片內硬件資源進(jìn)行誤差補償，保證了流量計的輸出精度，其精度也可以在微處理器中的程序中改動(dòng)。測試結果表明，流量計響應迅速、測量精度高，整體設計具有一定的實(shí)用價(jià)值。