摘 要:本文介绍了一种基于风洞原理的汽车空气流量计校准系统的研制,该系统可消除汽车空气流量计生产制造过程的细微不一致导致的误差;在连续可调,高精度,稳定的气流条件下,计算机直接将每只汽车空气流量计的插值计算函数模型的参数写入内部的非易失存储空间来完成校准工作,并且论述了系统工作原理、硬件设计和软件设计,设计出了一种高校准精度,高效率,适合进行汽车空气流量计规模化生产的校准系统。
1 引言
汽车空气流量计作为测量吸入发动机中的空气量的传感器,安装在汽车滤清器和节气门之间的进气通道上, 其输出信号作为汽车发动机燃油电喷系统中控制燃油喷射量的主要参数, 决定了基本喷油量和喷油时间。汽车空气流量计质量的优劣对整车性能影响很大,其测量精度直接影响着汽车发动机的动力性、经济性、油耗、尾气排放等总体性能[1]。所以在汽车空气流量计的生产过程中,必须进行精确地校准。
但是在目前的汽车空气流量计生产方法中, 对于某一特定型号的汽车空气流量计,将热探头原始输出电压特性曲线转换为标准输出电压特性曲线(如图 1 所示),其转换函数是固定的。这种生产方法会带来很多的问题:1.当在热探头生产制造中出现结构或参数细微不一致,或在热探头装配过程中造成微小差异,都可能导致热探头原始输出电压特性曲线地变化,按照固定的转换函数进行转换又会导致最终的输出电压特性曲线发生改变,最终导致批量生产中汽车空气流量计质量参差不齐;2.要保证固定精确的转换函数,若希望通过硬件电路来实现,则必然要求匹配电阻的阻值高度稳定和高精度。因而对于高品质汽车空气流量计的生产厂家,大量的电阻需要经过精确的激光调整,大大提高了生产的成本。不同的汽车使用的汽车空气流量计并不相同,而不同型号的汽车空气流量计都有自身特定的输出电压特性曲线,这就要求设计大量的硬件电路来满足不同型号汽车空气流量计的需要,并最终使生产成本进一步增加。
上述状况带来的结果是少数龙头企业依仗其雄厚的经济实力,采用高起点高成本方式,精确控制生产过程的每个环节,生产价格高昂的汽车空气流量计,长期垄断汽车空气流量计市场,而大多中小企业由于无法形成足够的批量而使用低成本的热探头。热探头电阻精度、外形尺寸精度、生产制造工艺和装配精密程度等的微小差异都会对热探头原始输出电压特征曲线带来足够大的影响。如果采用了低成本的热探头和固定函数的转换方法,则对热探头原始输出电压特性曲线发生变化所造成的影响就无能为力,加上电路元器件本身参数的不一致和分散性,这样生产出来的汽车空气流量计的精度和一致性就很难保证。
近年来国内有不少单位和个人都对流量计校验进行了研究,出现了一些不错的校验装置,但也存在诸多不足之处。一、流量标准问题,能否提供一个连续可调的高精度气体流量是这个问题的关键。有的装置在校验时用一个被认为是标准的汽车空气流量计来校验其他汽车空气流量计,这似乎不符合计量传递的规则,除非是我们首先承认自己的流量计比竞争对手的流量计低一个精度等级。二、有的装置能做的仅仅是对汽车空气流量计的校验工作,通过校验过程检验生产出的汽车空气流量计无法保证具有与高质量汽车空气流量计相同的电压输出特性。而实际情况是,汽车空气流量计中热探头的电阻值,装配过程,几何尺寸等一系列因素都将影响热探头的输出电压特性,在大批量生产中很难保证其一致性,再按照固定转换函数的处理方法,必然导致汽车空气流量计的输出电压特性曲线的不一致。特别是在使用品质较差的热探头时,这个问题将更加突出。三、还有的流量计校验装置,其实质是通过装置来检测出被检汽车空气流量计与标准汽车空气流量计输出电压特性的差异,但是无法改变两者之间的这种差异。
2 系统工作原理及功能
风洞是空气动力学研究和试验中使用最广泛,也是最有效的工具,主要通过控制管道内气流的流速、温度等参数来模拟实际的工作环境。风洞实验的主要任务是正确地模拟气流流过实物的流态并提供精确的实验数据,为进一步改进设计方案、改善被测物体的空气动力学特性提供可靠的依据[2]。本系统在此基础上结合传感器技术、数据采集技术和计算机控制技术来采集和控制风洞气流的各项参数,并最终实现对汽车空气流量计进行精确校准。整个系统的构成如图 2 所示,主要由气体流量控制、气流温度控制和流量计校准三个功能模块构成。
2.1 气体流量控制
要获得连续可调的高精度气体流量,必须具备几个关键技术。首先,要有高精度的气体流量测量装置,该系统中的标准空气质量流量测量装置由皮托管和高精度的差压变送器构成。皮托管是根据气流的动压和静压来确定气体流速的一种装置,在管道中进行气流测量历史悠久,一个主要特点,就是测速准确、结构简单、使用方便、坚固耐用[2]。差压变送器将皮托管的动压与静压之差转变成电信号,作为空气流量测量的一个关键性数据。其他影响气体流量的因素,如大气压力、管内温度等都将进行精确测量,并在对气体流量进行计算时进行修正。其次,必须具有连续可调的气流发生装置,变频器在风洞风速控制中的任务是改变风机的输入频率,以达到改变风机转速的目的[3]。变频器工作在通讯控制模式下,由计算机发送规定的指令对其进行控制。在控制软件界面上,用户可以通过直接输入风机转速,计算机根据输入的风机转速给变频器发送相应的指令来改变风机的输入频率,也可以输入目标气体流量,通过软件中的控制算法自动计算得到的控制量来对风机的输入频率进行不断的调整。
2.2 气流温度控制
温度是影响气体流量的一个重要因素,所以在进行校准时必须对温度进行精确地测量和控制。温度控制模块包括加热器、制冷器、继电器、温度变送器、智能自整定 PID 控制仪和计算机。智能自整定 PID 控制仪采集温度变送器输出的标准 4～20mA 电流信号,经过设定将对应的当前温度直接显示出来。计算机与智能自整定 PID 控制仪通讯可以实现当前温度地取和目标温度地设定,当要进行温度设定时,先由计算机将目标温度值发送给智能自整定 PID 控制仪,接着智能自整定 PID 控制仪经过内部的 PID 控制运算得到一个继电器控制量,最终通过控制继电器的断开与闭合时间比来控制加热器和制冷器地运行,从而实现对气流温度的PID 控制。
2.3 汽车空气流量计校准
本系统在进行汽车空气流量计校准时完全由计算机控制,并设有两条校准管道,通讯接口与被校准流量计(A1,A2, ,An 和 B1,B2, ,Bn)连接。被校准流量计的电压输出引脚被设置成电压输出和数据通讯的复用引脚,计算机通过通讯接口经由这根引脚来读写流量计的数据。当气体流量和气流温度达到校准要求时,就可以开始对汽车空气流量计进行校准。
本文开始的时候已经介绍过,每个汽车空气流量计的探头原始输出电压特性曲线不可能完全一致,所以这就要求有不同的转换函数来将其转换成标准输出电压特性曲线。本校准系统在对汽车空气流量计进行校准时,先由计算机根据探头原始输出电压和标准输出电压计算出每只汽车空气流量计的插值计算函数模型的参数,再将这些函数模型的参数写入汽车空气流量计内部的非易失存储空间,这样汽车空气流量计就可以按照标准输出电压特性曲线工作。当要把某个汽车空气流量计作为标准(参比流量计),而又没有其准确的输出电压特性曲线和数据时,只要将这个参比流量计插入某个插孔,在各个校准流量点同时读取此参比流量计与其他待校准流量计的输出电压,据此依次计算出所有校准流量点下的插值计算函数模型的参数,并写入到汽车空气流量计内部的非易失存储空间,这样就可以得到与参比流量计输出特性一致的汽车空气流量计。为了提高校准工作的效率和连续性,本系统可同时校准 8 只汽车空气 流量,并在两条校准管道的两端分别安装了阀门,当某一校准管道处于工作状态时,计算机控制该校准管道两侧的阀门开启;当校准管道上的流量计被更换或安装时,其两侧阀门被关闭。
3 系统硬件设计
根据校准系统的任务和校准原理,硬件系统要实现的功能有:1.对与气体流量相关的差压、温度等物理参数进行高精度的实时检测;2.产生连续可调高精度的气体流量,控制气体温度;3.将每只待校准汽车空气流量计的插值计算函数模型的参数写入其内部的非易失存储空间,实现对流量计的校准;4.对检测数据进行分析、处理,并记录校准结果。
3.1 系统硬件结构
系统硬件结构如图 3 所示,各个变送器采集到的模拟信号经过信号调理电路处理后通过数据采集仪进入到计算机,在计算机中通过与更高精度等级的测量仪器得到的测量数据进行对比得出修正参数。计算机通过修正参数对采集到的原始数据加以修正后计算出气体流量,并控制变频器改变风机转速,如此反复来得到精确稳定的气体流量。上、下游温度变送器采集到的温度信号分别显示在显示控制仪和智能自整定 PID 控制仪上,可以对温度数据进行实时监控。计算机与显示控制仪和智能自整定 PID 控制仪通讯,除了读取温度数据外, 还能将目标温度直接发送给智能自整定 PID 控制仪来控制温度控制系统工作。计算机通过各个通讯控制器与待校准流量计通讯,最后计算机将每只汽车空气流量计的插值计算函数模型的参数写入到其内部的非易失存储空间
3.2 信号调理电路
为对气体流量各项参数进行精确的测量和修正,我们设计了图 4 所示的 8 通道变送器信号调理电路。8 个输入端分别对应 +12V 电源、标准差压、绝压、表压、环境温度、环境湿度、管内温度和被检电压 8 个参数,除了 +12V 电源和被检电压外,其余输入信号都是标准的 4～20mA 电流信号。这些电流信号从输入端进入后通过高精度的 100 欧姆金属膜电阻 R7～R12,这样就可以在这些电阻两端采集到 0.4～2V 的电压信号,这些电压信号直接从输出通道 CH2～CH7 进入到数据采集仪中。计算机与数据采集仪通讯,每隔一段时间采集一次 数据,经过滤波,修正等运算得到精确的气体流量各项参数。被检电压是参比流量计在不同气体流量下的输出信号,由于是电压信号,所以无需转换可直接进入数据采集仪。
4 系统软件设计
汽车空气流量计整个标定过程全部采用计算机控制[ 4]。本系统软件设计流程图如图 5 所示,本系统软件的编制全部采用 VB6.0 开发,除了与系统硬件三个功能模块相对应的气体流量控制,气流温度控制和流量计校准模块外,还包括数据处理模块和参数校准、调零和还原模块。
气体流量控制:在软件中,对计算机采集到的各个变送器的信号进行分析、处理和修正,计算并显示实时气体流量及波动参数,绘制参数变化曲线图。在进行流量控制时,软件通过串口给变频器发送指令,变频器根据指令自动调节风机的输入频率。
气流温度控制:计算机读取显示控制仪和智能自整定 PID 控制仪所显示的温度数据,计算出各个待标定流量计插孔位置的温度。串口给智能自整定 PID 控制仪发送指令,改变其目标温度,在智能自整定 PID 控制仪内部完成 PID 控制运算后,输出控制量给继电器来控制加热和制冷装置,直到显示温度达到要求。
流量计校准:软件依据每只待校准流量计在校准流量点下对应的探头原始输出电压和标准输出电压,计算出每只汽车空气流量计的插值计算函数模型参数,并将这些插值计算函数模型的参数写入到每只汽车空气流量计内部的非易失存储空间。
参数校准、调零和还原:此模块主要功能是对变送器的输出数据进行修正,变送器本身虽然精度很高,但是由于校准环境是变化无常的,微小的差别都会影响到校准工作, 这就要求软件来对这些微小的差别进行修正。采用更高精度的测量仪器来进行测量,在软件中计算得出变送器的测量值与高精度测量仪器测量值之间差别,根据这些差别得到一个校准参数,并将此参数保存下来,在以后的计算中用这些参数对采集到的数据进行修正,修正结果不满足要求可以通过还原来恢复到初始状态。
5 结束语
本文介绍了目前国内汽车空气流量计生产的现状和其中存在的一些问题,并针对这些不足之处设计了本汽车空气流量计校准系统。采用高精度的变送器测量各种参数,并通过软件对这些数据进行分析、处理和修 正,为汽车空气流量计的校准提供了一个连续可调高精度的气源。所有的测量校准工作都在计算机的控制下完成,可以很好的保证校准的质量,可同时对多个汽车空气流量计进行校准,提高校准工作效率。
本校准系统的创新点:彻底消除汽车空气流量计生产制造过程中带来的各种不一致性对最终输出电压特性的影响,在不增加硬件电路和成本的前提下校准出各种型号汽车空气流量计特定的输出电压特性曲线。
参考文献:
[1] 徐宇新,蔡丰勇,邱飞燕,张澍裕,王利清.一种基于软件分析技术的空气流量计标定方法[P].中国专利:CN 101435715A,2009,5,20.
[2] 高庆亭.皮托管在气流测量中一些问题的探讨[J].气象水文海洋仪器,2007,(3):59-61.
[3] 王晓英,罗惕乾,沙毅,李国文.低速风洞测控系统的改进与提高[J].农机化研究,2006,(7):57-59.
[4] 胡长岭,张乃禄,张家田.流量计标定系统[J].油气田地面工程,2007,26(5):40.
作者简介: 项斌全(1985-),男,硕士研究生,主要从事检测控制方向的研究。
