專利名稱：數(shù)字式空氣流量計(jì)的空氣流量檢測電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種汽車用的空氣流量計(jì)，具體地說是涉及一種 汽車空氣流量計(jì)的空氣流量檢測電路。
空氣流量計(jì)是安裝在汽車汽油濾清器和節(jié)氣門之間的進(jìn)氣通道 上，用來測量吸入發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣流量，其輸出信號(hào)作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 燃油電噴系統(tǒng)中控制燃油噴射量的主要參數(shù)，決定著汽車的基本噴油 量。電噴發(fā)動(dòng)機(jī)為了在各種運(yùn)行工況下都能獲得最佳燃油濃度的混合 氣，必須正確地、精確地測定每一瞬間吸入電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量， 作為電控單元計(jì)算并控制噴油量的主要依據(jù)。
目前，公知的空氣流量計(jì)主要以熱絲式和熱膜式為主，這些熱式 (熱絲式或熱膜式)空氣流量計(jì)是在測量管路中加入兩個(gè)金屬鉑電
阻，其中一個(gè)鉑電阻通入較小的電流(電流在4mA以下，不會(huì)引起電 阻發(fā)熱)，用于測量被測流體溫度，稱為測溫電阻；另一個(gè)鉑電阻通 入較大電流(電流一般在50mA以上)，用于測量被測流體的速度，稱 為測速電阻。根據(jù)熱擴(kuò)散原理，加熱物體被流體帶走的熱量與加熱物 體與流體的溫差、流體的流速以及流體的性質(zhì)有關(guān)。若流體密度為P, 流速為r,加熱物體被流體帶走的熱量為A加熱物體與流體的溫差 為Ar,則其關(guān)系式為
式(1)中，對(duì)于組份一定的流體，A, 12, A為常數(shù)。在橫截面 為5的管路中，質(zhì)量流量^^，S。
在實(shí)際測量過程中，測速鉑電阻Rh被輸入電流/加熱，在熱平 衡狀態(tài)下，電流的加熱功率與加熱電阻被流體帶走的熱量處于平衡狀 態(tài)，即有e = /2Rh。因此，質(zhì)量流量^與Rh/Ar成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，
可表示為
背景技術(shù)由此可以看出，質(zhì)量流量的測量方法有兩種 一種方法為恒流式， 即當(dāng)加熱電流/不變時(shí)，通過測出流體的溫差A(yù)r (忽略了Rh隨溫度
的變化)來計(jì)算流體的質(zhì)量流量；另一種方法為恒溫差式，表面上是 保持加熱鉑電阻與測溫鉑電阻的溫差A(yù)r不變，實(shí)際上是通過一個(gè)橋 式電路保持加熱銷電阻和測溫鉬電阻的溫差A(yù)r與加熱鉬電阻Rh的 比值A(chǔ)r/Rh不變，通過測量加熱電流/來計(jì)算流體的質(zhì)量流量。釆 用恒溫差方式，利用橋式電路使Ar/Rh為恒定，通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出質(zhì) 量流量^與加熱電流/的關(guān)系曲線，這樣通過測出的電流值/就可 以來計(jì)算流體的質(zhì)量流量^,。
上述的熱式空氣流量計(jì)應(yīng)用恒流式質(zhì)量流量的測量方法，由簡單 的惠斯頓電橋電路、溫度補(bǔ)償電路和比例放大電路對(duì)空氣流量進(jìn)行檢 測，信號(hào)輸出值精度不高，不能準(zhǔn)確地反映發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量瞬間的變化， 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能影響很大。
三
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述的不足，而提供一種能正確地、 精確地測定每一瞬間吸入電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量的數(shù)字式空氣流量 計(jì)的空氣流量檢測電路。
本實(shí)用新型的目的通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn) 一種數(shù)字式空氣流
量計(jì)的空氣流量檢測電路，包括互相電連接的橋式分電路、比例放大
分電路，所述的橋式分電路為線性化電橋分電路，其中測速電阻R4 為薄膜應(yīng)變片，測溫電阻RK為負(fù)系數(shù)熱敏電阻，該測溫電阻RK與電 阻R2串聯(lián)后再由測溫電阻RK、電阻R2與電阻R3并聯(lián)；所述的比例 放大分電路又與數(shù)據(jù)處理及濾波分電路電連接，該數(shù)據(jù)處理及濾波分 電路對(duì)經(jīng)比例放大分電路輸出的空氣流量信號(hào)在數(shù)據(jù)釆集端口完成 模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后通過程序查表得到理想的輸出值， 通過控制脈寬調(diào)制P麗的占空比來得到數(shù)字信號(hào)的輸出，最后由低通 濾波子電路獲得模擬量輸出。
所述的數(shù)據(jù)處理及濾波分電路依次由晶振Q3及單片機(jī)U2、開關(guān) 子電路、RC充放電回路、電壓跟隨器和濾波子電路組成；其包括單 片機(jī)U2、晶振Q3、運(yùn)算放大器U1B、三極管Q2、電阻R15-R19、電 容C2和C3。采用本實(shí)用新型后，采用恒溫差方式，利用線性化電橋分電路使 A7VRh為恒定，其中線性化電橋分電路實(shí)現(xiàn)了加熱電阻(Rh )與測 溫電阻(M)的溫差保持恒定。當(dāng)空氣的質(zhì)量流量發(fā)生變化時(shí)，電橋 失去平衡，控制電路測量出不平衡電壓，通過改變加熱電流，使電橋 重新處于平衡狀態(tài)，加熱電流通過電阻(R2)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，然后 通過比例放大分電路傳送給單片機(jī)(不再需要原有的溫度補(bǔ)償電路)。 由單片機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)校正后，產(chǎn)生一輸出電壓，并經(jīng)過濾波子電路
輸出而送入汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)算機(jī)(ECU),由ECU通過軟件計(jì)算出 空氣質(zhì)量流量。從而就能正確地、精確地測定每一瞬間吸入電噴發(fā)動(dòng) 機(jī)的空氣流量。并且操作自動(dòng)方便、信號(hào)輸送速度快、工作效率高。
四以下結(jié)合附圖與實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1為本實(shí)用新型數(shù)字式空氣流量計(jì)的空氣流量檢測電路原理圖。 圖2為本實(shí)用新型的電路框圖。
圖3為圖1中的數(shù)據(jù)處理及濾波分電路的信號(hào)處理流程圖。 圖4為公知的橋式電路圖。
五具體實(shí)施方式
參照?qǐng)Dl、圖2可知，本實(shí)用新型數(shù)字式空氣流量計(jì)的空氣流量 檢測電路，包括互相電連接的橋式分電路1、比例放大分電路2，所 述的橋式分電路l為線性化電橋分電路，其中測速電阻R4為薄膜應(yīng) 變片，測溫電阻RK為負(fù)系數(shù)熱敏電阻，該測溫電阻RK與電阻R2串 聯(lián)后再由測溫電阻RK、電阻R2與電阻R3并聯(lián)；所述的比例放大分 電路2又與數(shù)據(jù)處理及濾波分電路3電連接。
參照?qǐng)D1、圖2、圖3，所述的數(shù)據(jù)處理及濾波分電路3依次由 單片機(jī)U2 (其型號(hào)picl2f683 )及晶振Q3、開關(guān)子電路4、 RC充放 電回路5、電壓跟隨器6和濾波子電路7組成，其包括單片機(jī)U2、晶 振Q3、運(yùn)算放大器U1B、三極管Q2、電阻R15-R19、電容C2和C3。 其中單片機(jī)U2的2腳與3腳接晶振Q3 (晶振Q3的另一腳接地)，其 5腳接電阻R15,電阻R15的另一腳分別接電阻R16和三極管Q2的基 極，電阻R1 6的另一腳和三極管Q2的發(fā)射極均接地，三極管Q2的集電極通過電阻R17接到5V電源上，所述的電阻R15、 R16、 R17和 三極管Q2構(gòu)成開關(guān)子電路4;電阻R18的一腳接到三極管Q2的集電 極，其另一腳分別接運(yùn)算放大器U1B的5腳和電容C2，電容C2的另 一腳接地，所述的電阻R18和電容C2構(gòu)成RC充放電回路5;運(yùn)算放 大器U1B的6、 7腳接在一起，運(yùn)算放大器U1B的7腳通過電阻R19 接輸出端l-5V,電容C3的一只腳接輸出端1-5V,其另一只腳接地， 所述的運(yùn)算放大器U1B構(gòu)成電壓跟隨器6,所述的電阻R19和電容C3 構(gòu)成濾波子電路7。
所述的開關(guān)子電路4的作用是將單片機(jī)U2輸出的脈寬調(diào)制PWM 波形放大，提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力；RC充放電回路5的作用是將矩 形波轉(zhuǎn)換成直流電壓；電壓跟隨器6的作用是提高輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng) 能力；濾波子電路7的作用是防止外部信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的干擾，起
到了數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能。
參照?qǐng)Dl、圖3,所述的數(shù)據(jù)處理及濾波分電路3中的單片機(jī)U2
對(duì)經(jīng)比例放大分電路2輸出的空氣流量信號(hào)在數(shù)據(jù)釆集端口完成模 擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后通過程序查表得到理想的輸出值，通 過控制脈寬調(diào)制(PWM)的占空比(高低電平的百分比)來得到數(shù)字信 號(hào)的輸出，最后由低通濾波子電路獲得模擬量輸出。單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 利用C語言進(jìn)行模塊化編程，軟件由主程序、A/D釆樣程序、數(shù)字濾
波程序、運(yùn)算處理程序、P麗輸出程序等組成。數(shù)字濾波程序?qū)︶姌?得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均濾波算法處理，以減少干擾。根據(jù)在不同環(huán)境下 試驗(yàn)所取得的不同數(shù)據(jù)，加以數(shù)學(xué)處理后，得到環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)輸出 的關(guān)系，運(yùn)算處理程序則根據(jù)這一關(guān)系進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償處理，然后 由D/A輸出。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)復(fù)位，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，而后依次 調(diào)用各功能模塊程序，其控制系統(tǒng)主程序流程見圖3。
參照?qǐng)D4所示，功率管Ql起電流放大作用。當(dāng)電路接通電源時(shí)， 電阻R9導(dǎo)通，功率導(dǎo)通，電路給電橋供電。當(dāng)電橋不平衡時(shí)，圖4 中A、 B兩點(diǎn)處的電壓不相等，其差值經(jīng)放大子電路(由運(yùn)算放大器 U1D和電阻R7組成)放大后輸入到達(dá)林頓管Ql的基極，從而增加其 射極的輸出，使加在電橋上的電壓增大，從而通過電阻Rh的電流增大，電阻Rh溫度升高，其阻值隨著增大，當(dāng)RlxR4=RhxRK時(shí)，A、 B 兩點(diǎn)處電壓相等，電橋達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。若環(huán)境溫度改變，則RK 改變，電橋平衡狀態(tài)被破壞，通過電阻Rh的電流改變，電阻Rh的阻 值隨著改變，電橋達(dá)到新的平衡態(tài)。
如前所述，質(zhì)量流量^與Rh/Ar成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可表示為
"閉 (3)
根據(jù)傳熱學(xué)原理，在k制^流的冷卻作用下，發(fā)熱元件在單位時(shí)
間里散失的熱量^和發(fā)熱元件與空氣的溫度差A(yù)r成正比，如下所示
if =綠r ( 4 )
式(4)中，力是發(fā)熱元件的熱導(dǎo)率；《是發(fā)熱元件的表面積。 而熱導(dǎo)率是一個(gè)與空氣、熱膜有關(guān)的參數(shù)。另一方面，在熱平衡
狀態(tài)下，散熱量與發(fā)熱量相等，// = Rh/2。由此，考慮到各種參數(shù)，
可得質(zhì)量流量^,與Rh/Ar的關(guān)系式為
f^^/4 (5) 式(5)中，/為常數(shù)，^(是隨著溫度的升高而增大的，其溫 度系數(shù)為0.15-0.18% /。C。故該方案中控制電路保證_^_為恒定
值，以使流量的大小僅與電流大小的四次方成正比。
由于空氣流量傳感器的輸出應(yīng)僅與空氣流量為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系而 與溫度高低無關(guān)，因此為保證電橋的輸出不因環(huán)境溫度的改變而改 變，我們需要在另一橋臂的下半橋上接入一測溫電阻，以消除溫度對(duì)
輸出的影響。為了降低設(shè)計(jì)成本，本項(xiàng)目中選用負(fù)系數(shù)(NTC)熱敏 電阻RK代替鉑電阻來測量環(huán)境溫度。為提高熱敏電阻的線性化效果， 可釆用串并聯(lián)電阻雙重線性化的方法。NTC熱敏電阻是一種氧化物的 燒結(jié)體，具有負(fù)溫度系數(shù)，與金屬鉑電阻相比，電阻溫度系數(shù)大，靈 敏度約為金屬鉑電阻的10倍，結(jié)構(gòu)簡單，電阻率小，適于動(dòng)態(tài)測量。 當(dāng)溫度變化時(shí)，要使電阻RT線性變化，其中，電阻R2為要串聯(lián) 的電阻，電阻R3為要并聯(lián)的電阻，電阻RK為NTC熱敏電阻。由圖l 可知
RT=(RK+R2)/R3 (6)
直接將恒溫差控制電橋上精密電阻R4兩端的電壓作為流量計(jì)的輸出。這種方法簡單、直觀，空氣流量計(jì)的輸出和加熱電流的變化直 接聯(lián)系在一起，更能精確反映流體流量的大小。由于新的線性化電橋 分電路控制方案對(duì)電橋電阻匹配、熱敏電阻的線性化做了優(yōu)化，在溫 度變化的情況下，電阻R4上的電流基本可以保持不變，即輸出電壓 不受溫度變化的影響，因此不再需要原有的溫度補(bǔ)償電路，直接以電
阻R4兩端的電壓輸出信號(hào)的量度，只需要通過一個(gè)比例放大器就可
達(dá)到預(yù)定的效果。
如圖所示，本實(shí)用新型的工作原理為線性化電橋分電路實(shí)現(xiàn)了 加熱電阻與測溫電阻的溫差保持恒定。當(dāng)空氣的質(zhì)量流量發(fā)生變化 時(shí)，電橋分電路會(huì)失去平衡，控制電路測量出不平衡電壓，通過改變 加熱電流，使電橋分電路重新處于平衡狀態(tài)，加熱電流通過電流測量 電路轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，然后通過比例放大分電路，傳送給數(shù)據(jù)處理及 濾波分電路的單片機(jī)(不再需要原有的溫度補(bǔ)償電路)。該單片機(jī)包 含一個(gè)10位ADC、 1個(gè)10位的電壓輸出DAC,它是一個(gè)完整的數(shù)據(jù) 釆集微系統(tǒng)，其內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換周期僅4]as, D/A的建立時(shí)間 為15ps。由單片機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)校正后，經(jīng)過D/A產(chǎn)生一輸出電壓， 并經(jīng)過濾波子電路輸出而送入汽車ECU,由電腦通過軟件計(jì)算出空氣 質(zhì)量流量。
權(quán)利要求1、一種數(shù)字式空氣流量計(jì)的空氣流量檢測電路，包括互相電連接的橋式分電路(1)、比例放大分電路(2)，其特征在于所述的橋式分電路(1)為線性化電橋分電路，其中測速電阻R4為薄膜應(yīng)變片，測溫電阻RK為負(fù)系數(shù)熱敏電阻，該測溫電阻RK與電阻R2串聯(lián)后再由測溫電阻RK、電阻R2與電阻R3并聯(lián)；所述的比例放大分電路(2)又與數(shù)據(jù)處理及濾波分電路(3)電連接，該數(shù)據(jù)處理及濾波分電路(3)對(duì)經(jīng)比例放大分電路(2)輸出的空氣流量信號(hào)在數(shù)據(jù)采集端口完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后通過程序查表得到理想的輸出值，通過控制脈寬調(diào)制PWM的占空比來得到數(shù)字信號(hào)的輸出，最后由低通濾波子電路獲得模擬量輸出。
2、 如權(quán)利要求l所述的數(shù)字式空氣流量計(jì)的空氣流量檢測電路，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理及濾波分電路(3 )依次由晶振Q3及單片機(jī)U2、開關(guān)子電路(4)、 RC充放電回路(5)、電壓跟隨器(6)和濾波子電路(7)組成。
3、 如權(quán)利要求2所述的數(shù)字式空氣流量計(jì)的空氣流量檢測電路，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理及濾波分電路(3)包括單片機(jī)U2、晶振Q3、運(yùn)算放大器U1B、三極管Q2、電阻R15-R19、電容C2和C3。
4、 如權(quán)利要求3所述的數(shù)字式空氣流量計(jì)的空氣流量檢測電路，其特征在于所述的單片機(jī)U2的2腳與3腳接晶振Q3，其5腳接電阻R15，電阻R15的另一腳分別接電阻R16和三極管Q2的基極，電阻Rl 6的另 一腳和三極管Q2的發(fā)射極均接地，三極管Q2的集電極通過電阻R17接到5 V電源上，所述的電阻R15、 R16、 R17和三極管Q2構(gòu)成開關(guān)子電路(4 ),開關(guān)子電路(4 )的作用是將單片機(jī)U2輸出的脈寬調(diào)制P麗波形放大，提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。
5、 如權(quán)利要求3所述的數(shù)字式空氣流量計(jì)的空氣流量檢測電路，其特征在于所述的電阻R18的一腳接到三極管Q2的集電極，其另一腳分別接運(yùn)算放大器U1B的5腳和電容C2，電容C2的另一腳接地，所述的電阻R18和電容C2構(gòu)成RC充放電回路(5)， RC充放電回路(5)的作用是將矩形波轉(zhuǎn)換成直流電壓。
6、如權(quán)利要求3所述的數(shù)字式空氣流量計(jì)的空氣流量檢測電路,其特征在于所述的運(yùn)算放大器U1B的6 、 7腳接在一起，運(yùn)算放大 器U1B的7腳通過電阻R19接輸出端l-5V,電容C3的一只腳接輸出 端l-5V,其另一只腳接地，所述的運(yùn)算放大器U1B構(gòu)成電壓跟隨器 (6)，所述的電阻R19和電容C3構(gòu)成濾波子電路(7);電壓跟隨器 (6)的作用是提高輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，濾波子電路(7)的作用是 防止外部信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的干擾，起到了數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的 功能。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種數(shù)字式空氣流量計(jì)的空氣流量檢測電路，其橋式分電路(1)為線性化電橋分電路，其中測速電阻R4為薄膜應(yīng)變片，測溫電阻RK為負(fù)系數(shù)熱敏電阻，該測溫電阻RK與電阻R2串聯(lián)后再由測溫電阻RK、電阻R2與電阻R3并聯(lián)；其比例放大分電路(2)又與數(shù)據(jù)處理及濾波分電路(3)電連接，該數(shù)據(jù)處理及濾波分電路對(duì)經(jīng)比例放大分電路輸出的空氣流量信號(hào)完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后通過程序查表得到理想輸出值，通過控制脈寬調(diào)制的占空比來得到數(shù)字信號(hào)的輸出，最后由低通濾波子電路獲得模擬量輸出而送入發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)算機(jī)。從而能正確地、精確地測定每一瞬間吸入電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量。且操作自動(dòng)方便、信號(hào)輸送速度快、工作效率高。
文檔編號(hào)G01F1/698GK201397163SQ20092015019
公開日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2009年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月26日
發(fā)明者唐厚君, 陳錦翔 申請(qǐng)人:浙江恒光汽車部件有限公司