熱膜式空氣流量計的測量技術

郭小蘭

摘 要： 熱膜式空氣流量計是基于熱平衡原理，用于檢測吸入發動機空氣的質量流量計?？蓽y量吸入發動機氣缸的空氣量并將其轉變成電信號傳送給ECU，是確定基本噴油量的重要依據之一。本文通過對熱膜式空氣流量計的測量原理、溫度補償的分析介紹了其測量技術。

關鍵詞： 熱膜式空氣流量計 恒溫差控制 溫度補償

空氣流量傳感器AFS（Air Flow Sensor）又稱為空氣流量計AFM（Air Flow Meter），其功用是檢測發動機進氣量大小、并將進氣量信息轉換成電信號輸入電控單元（ECU），以供ECU計算確定噴油時間（即噴油量）和點火時間。進氣量信號是控制單元計算噴油時間和點火時間的主要依據，同時對發動機的正常運轉、提高燃油效率及減少汽車尾氣排放起到至關重要的作用[1]。

1.熱膜式空氣流量計的基本原理

圖1 熱膜式AFS的結構 圖2 熱膜式AFS內部元件示意圖

1—接線插座 2—護套 1—過濾層 2—溫度補償電阻

3—鉑金屬膜 4—防護網 3—熱膜電阻

熱膜式空氣流量計的發熱元件是鉑金屬膜，鉑金屬發熱元件的響應速度很快，能在幾毫秒內反映出空氣流量的變化，因此測量精度不受進氣氣流脈動的影響。此外還具有進氣阻力小，不磨損部件等優點，因此目前大多數中高檔轎車都采用了這種熱膜式空氣流量計[2]。

熱膜式空氣流量計的結構如圖1所示，熱膜電阻設在其內部的進氣通道的一個矩形護套中。為了防止污物沉積到熱膜電阻上影響測量精度，在護套的空氣入口一側設有空氣過濾層，用以過濾空氣中的污物。為了防止進氣溫度變化使測量精度受到影響，在熱膜電阻附近的氣流上游沒有鉑金屬膜式溫度補償電阻，如圖2所示。溫度補償電阻和熱膜電阻與計內部控制電路相連，控制電路與線束連接器插座相連，線束插座設在計殼體中部。熱膜電阻的阻值比較大，消耗的電流較小，使用壽命較長。但是，由于其發熱元件表面制作有一層絕緣保護薄膜，存在輻射熱傳導作用，因此響應特性稍差[3]。

2.熱膜式空氣流量計測量原理

2.1空氣流量測量原理

熱膜式AFS測量原理如圖5所示。當發動機怠速時，其節氣門關閉或接近全閉，因此空氣流速低，空氣量少；如果空氣為熱空氣，則空氣溫度越高，空氣密度越小。所以在體積相同的情況下，熱空氣的質量小，因此發熱元件受到冷卻的程度小，阻值減小幅度小，保持電橋平衡需要的電流也小，如圖5（a）所示，故取樣電阻上的信號電壓低。反之，當發動機負荷增大時，由于空氣流速快，進入的空氣量多，相對來說，空氣為冷空氣，發熱元件受到冷卻的程度就大，阻值減小幅度大，保持電橋平衡需要的電流也大，如圖5（b）所示，故取樣電阻上的信號電壓高。控制單元ECU根據信號電壓即可計算出空氣量。

a 怠速或熱空氣時 b 負荷增大或冷空氣時

圖5 熱膜式AFS測量原理

2.2溫度補償原理

當進氣溫度變化時，發熱元件的溫度就會發生變化，測量進氣量的精度就會受到影響。設置溫度補償電阻（溫度計）后，從電橋電路上可以看出，當進氣溫度降低使發熱元件上的電流增大時，為了保持電橋平衡，溫度補償電阻上的電流相應增大，以保證發熱元件溫度與溫度補償電阻之差保持恒定，使流量計測量精度不受進氣溫度變化的影響。

3.結語

熱膜與進氣流的溫度差，在流量計可保持120℃恒定。空氣流過時所需的加熱電流即為流過的空氣質量的度量。由于測定的加熱電流無需校正，它可以直接作為進入空氣的質量流量，故測量的誤差較小，可保證±2%的范圍內。為了保證進氣流動均勻地流入進氣測量管中，在流量計的入口處的防護柵格可減少流量計中的熱膜受污，也可使熱膜式傳感器減少機械損傷。這種空氣質量流量計的流量量程比約為1：60。設計要求在最大流量計測時，進氣壓力的損失不能減小發動機的充氣效率。由于熱膜式流量計能滿足精度要求，且結構簡單，抗沾污能力強，價格便宜，因此在汽車上應用較多。

參考文獻：

[1]黃修銅，王婷旺，楊文濤，王鮮.基于PIC單片機的熱膜式空氣流量計設計[J].傳感器世界，2013.11.

[2]司景萍，高志鷹.汽車電器及電子控制技術[M].北京大學出版社，2012.

[3]李礦理，武文.汽車電器電子裝置檢修圖解[M].金盾出版社，2008.