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淺析ARm的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計的設(shè)計概 述: 一般傳統(tǒng)的金屬管轉(zhuǎn)子流量計在測量汽車發(fā)動機進氣量時存在精度低、響應(yīng)慢等缺點，設(shè)計了一種基于 AＲM 的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計。系統(tǒng)基于恒溫差的測量方法，當(dāng)空氣流經(jīng)加熱電阻時，利用加熱電路維持加熱電阻與環(huán)境溫度的恒定溫差，通過加熱電阻上電流變化引起的電壓變化來計算得到空氣流量信號。實驗結(jié)果表明，該流量計具有響應(yīng)速度快、測量范圍大、測量精度高等優(yōu)點，綜合測量誤差小于1% ，流量計的精度滿足發(fā)動機的要求。 引言 隨著集成電路技術(shù)、傳感器技術(shù)以及微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，使得汽車電子行業(yè)發(fā)生了革命性的變化［1］。其中，非常主要的變化就是現(xiàn)代汽車逐漸淘汰了傳統(tǒng)的化油器式發(fā)動機，而是采用電子控制燃油噴射系統(tǒng)。金屬管轉(zhuǎn)子流量計作為電子控制燃油噴射系統(tǒng)的核心，其安裝在空氣濾芯和節(jié)氣門之間的進氣通道之間，用于實時測量發(fā)動機的進氣量，再綜合點火時間、曲軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)對噴油量進行修正，實現(xiàn)準(zhǔn)確控制空燃比的目的。目前用于測量發(fā)動機進氣量的金屬管轉(zhuǎn)子流量計可大致分為體積流量型以及質(zhì)量流量型兩類，質(zhì)量型流量計即熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計，其相比于體積型流量計具有響應(yīng)速度快、測量精度高、測量范圍廣等優(yōu)點。本文設(shè)計了一種基于 AＲM 的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計，其基于恒溫差測量原理，將 2 個鉑電阻分別安裝在惠斯登電橋的兩端，通過測量惠斯登電橋輸出端電壓的變化情況來計算出空氣流量值，熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計在能源、航天航天以及汽車電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［2 － 3］。 1 熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計測量原理 熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計是依據(jù) Thomas 理論進行設(shè)計的，依據(jù)理論［4］，空氣中氣體的流量與電能的消耗量可以用式( 1) 表示:
式中: E 為加熱電阻上電能的消耗量，J; C 為空氣的比熱容，J/( kg·℃ ) ; ΔT 為加熱電阻與進氣溫度的差值，℃ ; q 為單位時間內(nèi)空氣的質(zhì)量流量，kg /h。
由式( 2) 可知，當(dāng) C 為定值時，空氣質(zhì)量流量 q 只 與 E 和 ΔT 相關(guān)，若保持加熱電阻與空氣進氣的溫度差值 ΔT 恒定，那么空氣質(zhì)量流量 q 只與加熱電阻所消耗的電能 E 有關(guān)。本文設(shè)計的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計利用惠斯登電橋平衡原理來保持 ΔT 恒定，具體原理圖如圖 1 所示。
由式( 5) 可知，任一電阻發(fā)生變化都會打破電橋平衡。 將采用正溫度系數(shù)制成的加熱電阻 Ｒ1 置于汽車發(fā)動機的進氣道中，當(dāng)空氣流經(jīng) Ｒ1 時會帶走 Ｒ1 上的 熱量，Ｒ1 的阻值會下降，由式( 5) 可知，惠斯登電橋失去平衡狀態(tài)，為了讓電橋重新恢復(fù)平衡狀態(tài)，需要增加流過 Ｒ1 的電流，當(dāng) Ｒ1 電流增大溫度上升時，Ｒ1 電阻阻值也會增加，從而使得電橋達到新的平衡。 系統(tǒng)就是利用惠斯登電橋原理，當(dāng)系統(tǒng)為了維持電橋平衡而增加加熱電阻 Ｒ1 上流過的電流，通過采集流過 Ｒ1 電流變化引起的電壓變化來計算得到 Ｒ1 電阻上消耗的電能 E，從而來得到空氣的質(zhì)量流量信號。 2 基于 AＲM 的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計硬件電路設(shè)計 熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計硬件電路主要包括惠斯登電橋控制電路、流量傳感器信號調(diào)理電路、信號調(diào)理電路、 V － I 轉(zhuǎn)換電路以及電源電路等［5］。當(dāng)空氣流經(jīng)加熱電阻帶走熱量時，通過增加流過加熱電阻的電流來保持惠斯登電橋平衡，電橋輸出的電壓信號十分微弱，必須經(jīng)高精度儀用放大電路放大濾波處理之后才能送入單片機內(nèi)部的 A/D 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，非常后將信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的 4 ～ 20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號，硬件框圖如圖 2 所示。  2． 1 傳感器單元 傳感器單元是系統(tǒng)的核心部件，因此在傳感器選型時需要考慮到傳感器的可靠性、精度、響應(yīng)速度以及尺寸大小等問題［6］。傳感器對空氣流量的測量依賴于傳感器中的加熱電阻和溫度補償電阻，其均為正熱敏電阻，在 － 60 ～ 300 ℃ 內(nèi)有著較高的穩(wěn)定性。一般情況下金屬管轉(zhuǎn)子流量計允許的誤差范圍在 ± ( 2% ～ 3% ) ，因此對加熱電阻材料的選取要求較為嚴(yán)格，本文選用電阻率高、穩(wěn)定性好的鉑電阻作為加熱電阻。 2． 2 恒溫差控制電路 本文設(shè)計的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計采用恒溫差的方案，主要通過惠斯登電橋?qū)崿F(xiàn)恒溫控制，恒溫控制電路主要是由惠斯登電橋、三極管以及運算放大器組成［7］，具體電路圖如圖 3 所示。
電阻 Ｒ21、Ｒ22、Ｒ23、Ｒ24、Ｒ25、Ｒ26構(gòu)成了惠斯登電橋電路，其中 Ｒ23 為鉑制成的加熱電阻，當(dāng)空氣吹過 Ｒ23引起電阻值改變時，由上述測量原理可知，電橋失衡，此時電橋的 A、B 點電位會發(fā)生變化。由運算放大器U1、U2 及 Q8 組成的電流反饋電路負(fù)責(zé)維持電橋的平衡，當(dāng)電橋失衡，A、B 的電位差值被 U1、U2 及其外圍電路檢測到并作適當(dāng)放大，非常后用放大后的電壓去調(diào)控功率三極管 Q8 的基極，使得反饋控制電路根據(jù)電壓大小調(diào)節(jié)流過加熱電阻 Ｒ23 中電流的大小，非常終使得惠斯登電橋達到平衡狀態(tài)。 當(dāng)惠斯登電橋中 Ｒ23 中的電流變化時，與其處于同一支線的 Ｒ26中電流也會隨之變化，取 Ｒ26兩端的電壓作為流量輸出的電壓信號。流量信號輸出電路是由運放 AD8610 構(gòu)成的反相比例放大電路組成，將維持電橋平衡的電壓信號經(jīng)過適當(dāng)放大處理后送入單片機的 A/D 轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將采集的電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成比例的空氣流量信號［8］。 由上述測量原理可知，惠斯登電橋所用的加熱電阻為正溫度系數(shù)的溫敏電阻，電阻阻值隨溫度變化而變化，因此若環(huán)境溫度變化時，也會造成電橋失衡，引起測量誤差［9］。為了避免氣溫波動帶來的測量誤差，系統(tǒng)做了如下處理: 將相同溫度系數(shù)的電阻 Ｒ21 接入加熱電阻對應(yīng)的橋壁上，此時當(dāng)環(huán)境溫度變化時，A、B兩端的電壓就會保持同等大小的增減，使得 UAB保持不變，避免了空氣溫度波動引起的測量誤差。 2． 3 V － I 轉(zhuǎn)換電路 由于車用熱式流量計的接口一般為 4 ～ 20 mA 的電流信號，因此需要將流量計輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號［10］。當(dāng)惠斯登電橋輸出的電壓信號被單片機內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器采集后，經(jīng)過相關(guān)算法把電壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流量值。再利用單片機內(nèi)部的 D/A 轉(zhuǎn)換器將此數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的模擬電壓信號，非常后通過 V － I 轉(zhuǎn)換電路把其轉(zhuǎn)換為 4 ～ 20 mA 的電流信號，方便傳輸。V － I 轉(zhuǎn)換電路如圖 4 所示。  本文利用 OPA333 實現(xiàn) V － I 轉(zhuǎn)換，圖中 DACOUT接單片機 DAC 的輸出口，由 C43進行數(shù)字噪聲場濾波之后送入運放 0PA333 進行 1∶ 1 緩沖后，經(jīng) Q4 進行電流放大，在 Ｒ43 上形成檢測電壓，C45 進行去抖動處理，非常后在 AN_OUT + 、AN_OUT － 之間形成 4 ～ 20 mA的輸出電流。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件設(shè)計是系統(tǒng)的必要組成部分，其采用 C 語言編程，編譯環(huán)境為 Keil。當(dāng)系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行復(fù)位操作，然后開始啟動內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換程序，把惠斯登電橋輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為可被單片機處理的數(shù)字信號，再經(jīng)過相關(guān)算法計算出空氣的流量值，再由單片機內(nèi)部的 D/A 轉(zhuǎn)換器將處理過后的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，供后續(xù) V － I 轉(zhuǎn)換電路使用，軟件流程圖如圖 5 所示。
4 實驗數(shù)據(jù)分析處理 根據(jù)以上軟硬件設(shè)計，研制了基于 AＲM 的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計，接下來開始驗證系統(tǒng)的精度。首先需要對系統(tǒng)進行標(biāo)定，如圖6 所示，采用空氣壓縮機作為風(fēng)源，在空氣壓縮機輸出氣體的管道上分別安裝標(biāo)準(zhǔn)流量計和本文研制的熱式空氣流量。
實驗時啟動壓縮機，打開壓縮機管道上的閥門，通過改變閥門的開度來調(diào)節(jié)流過管道中氣體的流速，把標(biāo)準(zhǔn)流量計采集到的空氣流速值與研制的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計采集到的數(shù)據(jù)進行對比，實驗數(shù)據(jù)如表 1 所 示。流速與惠斯登電橋輸出電壓的關(guān)系如圖 7 所示。
對表 1 數(shù)據(jù)進行非常小二乘法三次多項式擬合，得到空氣流速與惠斯登電橋輸出電壓數(shù)學(xué)模型: Q = 0． 99V3 + 0． 33V2 + 0． 16V － 5． 553 9 (1) 式中: Q 為空氣流速，m /s; V 為惠斯登電橋的輸出電壓，V。 利用式( 1) 可以通過測量惠斯登電橋的電壓間接測量管道內(nèi)空氣的流速。系統(tǒng)的測量誤差在 1% 以 內(nèi)，本文研制的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計具有較高的測量精度。 5 結(jié)束語 本文設(shè)計了一種基于 AＲM 的熱式金屬管轉(zhuǎn)子流量計，通過在惠斯登電橋加熱電阻的對應(yīng)橋臂上增加正溫度系數(shù)的電阻，來減小環(huán)境溫度變化引起的測量誤差; 系統(tǒng)將微型流量傳感器與惠斯登反饋電橋電路有機結(jié)合在一起，提高了熱式流量計的響應(yīng)速度。實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有具有測量精度高、硬件電路設(shè)計簡單、體積小等特點。
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