摘 要:本文介绍了一种流量计响应速度测试装置的研制,该系统可精确得到各种不同流量计响应速度曲线,在稳定、高精度气流下,通过数据采集卡得到并保存流量计在不同频率气流发生情况下的响应曲线,来比较各种不同流量计的响应速度。并且论述了系统工作原理、硬件设计和软件设计,设计出了一种高精度,高效率,适合汽车系统对响应速度优良流量计的选择,以此提高汽车工作效率。
1 引言
空气流量计是用来计算发动机进气量的传感器,在汽车电子燃油喷射系统中,空气流量信号是决定发动机喷油量的重要信号。
空气流量计将吸入的空气转换成电信号送至电控单元(ECU),作为决定喷油的基本信号之一,是测定吸入发动机的空气流量的传感器。电子控制汽油喷射发动机为了在各种运转工况下都能获得最佳浓度的混合气,必须正确地测定每一瞬间吸入发动机的空气量,以此作为 ECU 计算(控制)喷油量的主要依据。在电子控制燃油喷射装置上,测定发动机所吸进的空气量的传感器,即空气流量传感器是决定系统控制精度的[1]重要部件之一。当规定发动机所吸进的空气、混合气的空燃比(A/F)的控制精度为±1.0 时,系统的允许误差为± 6%~7%,将此允许误差分配至系统的各构成部件上时,空气流量传感器所允许的误差为± 2%~3%。
汽油机需要的标准混合气是空气和汽油的质量比例是14.7:1,这一比例称为标准的空燃比。也就是说,要拿出14.7kg 的空气和1kg 的汽油混合后能做到两者的完全燃烧。电喷发动机由 ECU 控制喷油器喷油, 而ECU 要收到的一个主要信号就是空气流量计获得的发动机当时状态下的进气量。所以空气流量计在发动机是一个非常重要的传感器。空气流量计的响应速度直接影响电子系统控制喷油喷射装置的精确性,响应速度优良的流量计能及时调整喷油量,使空气和汽油的比例尽可能的接近最佳比例。这样既提高了效率,又节约了能源。所以空气流量计响应速度的快慢对汽车系统是一个相当重要的参数。
给流量计一个稳定空气流量激励,把它第一次到达稳定流量 63% 的响应时间称为响应速度。单位一般为毫秒,简写ms.响应速度如图1 所示,一般给出的响应速度的值是小于多少毫秒。
选定一个响应速度很快的 BOSCH 公司生产的空气流量传感器作为标准流量计,用待测流量计与其同步测量相同的空气流量,二者的差值即为待测流量计的响应速度。众所周知,BOSCH 公司生产的流量计响应速度[2]跟国内流量计相比,性能明显好一些,这从我们最终的实验结果可以清晰看出来。
目前各种品牌的空气流量计很少会给出响应速度这一参数,相关流量计响应速度测量的方法和装置的研究也比较少,目前市场上也没有测试空气流量计响应速度的装置,研制测量汽车空气质量流量计响应速度的装置,对于提高我国汽车空气流量计的生产水平,具有积极意义。
2 系统工作原理及功能
本装置主要有气体发生模块、通道控制模块、数据采集、发生模块组成,首要目标就是产生稳定、可持续的气源。在把各阀门关掉的同时,用真空泵将真空罐内的气体抽成真空,当我们打开阀门的时候,由于大气压力的作用,将气体压入装置,通过流量计,然后得到流量计的响应曲线,并分析比较。
为了产生不同的方波气源,我们采用了用驱动电路驱动阀门关断的方法。通过不同的关断频率来驱动高频阀,以此得到流量计在不同频率气源下的响应曲线。从图 2 中可以看出,流量计的响应曲线通过数据采集后直接送到我们的 PC 机存储,以便我们对各种不同流量计速度响应曲线的分析。
2.1 气体流量的控制
从图2 中可以看出,如果旁通阀、小高频阀不开,流量计响应曲线的峰值电压不会改变,我们改变的只能是响应曲线的频率。为了得到不同的气体流量,我们在管道的一段接了一个旁通阀,这个旁通阀是一个普通的手动阀,不同的扭动角度可以通过不同的气体流量。这样,在最初流量的基础上,通过流量计的气体流量又加上了通过旁通阀的一部分,所以,我们可以得到不同的气体流量,可以更好的反应各种流量计的响应速度。
2.2 高频阀关断的控制
高频阀的关断频率决定了我们流量计响应曲线的频率,为了得到不同频率下流量计的响应曲线,我们必须要有驱动电路来控制高频阀,通过产生各种频率的方波信号,来得到不同频率的响应曲线。
2.3 实验数据的采集
我们使用的是 MPS-010601 多功能 USB 信号采集卡,它可以采集并且发生信号,大大简化了我们整个系统信号处理装置和电路的复杂性。
MPS-010601 信号采集卡是一款基于USB 总线的多功能信号采集卡,具有 8 路差分模拟信号采集、4 路模拟信号输出、2 路比较器、8 路数字信号输入/ 输出、2路计数器及 2 路 PWM 输出。我们既可以写程序使采集卡产生各种不同频率的方波信号,也可以将流量计的波形采集到 PC 机中存储并显示,以便我们后续工作的比较分析。MPS-140801 采用USB2.0 高速总线接口,向下兼容USB2.0 全速及USB1.1 接口。支持即插即用和热插拔, 可以取代传统仪器与 P C I 等接口板卡。M P S -140801 可工作在Win9X/Me、Win2000/XP 等常用操作系统中,并提供可供 VB,VC,C++Builder,Dephi,LabVIEW,Matlab 等常用编程语言调用的动态链接库,编程函数接口简单易用,易于编写应用程序
3 装置技术指标
(1)流量发生频率:0~10Hz
(2)流量发生波形:方波
(3)流量峰值幅度:>15kg/h
(4)流量建立时间:<10ms
(5)电信号同步时间:<0.1ms
(6)流量管道直径:69mm
4 系统硬件设计
4.1 高频阀驱动电路的设计
图 3 左边的三个接口依次和控制卡接口的几个三个数字信号输出接口连接, 通过计算机编写程序来控制 MPS-010601 多功能 USB 信号采集卡输出信号,来控制各阀门的关断, 可以得到各种不同频率的开关信号。此电路用的是 74HC14。74HC14 是一款高速 CMOS器件, 兼容低功耗肖特基 T T L ( L S T T L ) 系列。遵循JEDEC 标准 no.7A。
74HC14 实现了6 路施密特触发[3]反相器,可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。和光耦的合用可以将采集卡的输出信号进行整形,提高阀门的开关速度,更能精确的测试各流量计的响应速度。
4.2 高频阀内部结构的改造
高频阀的开关速度直接影响我们所得流量计响应曲线的形状,会导致测量结果的不精准,使我们无从辨别到底[4]是流量计响应问题还是阀门开关速度过慢,因为我们使用的高频阀开关速度比较慢,所以我们必须通过音圈电机对其进行改造,提高其开关速度,使响应曲线的上升下降时间更短。
5 系统软件设计
本装置软件系统由 VB6.0 开发,通过计算机对 USB多功能数据采集卡写程序,来控制信号的输入和输出,从而控制阀门以及采集信号。Dx 是数字信号输入 / 输出端口, 通过对此端口写代码实现以下个功能
1. 实现对音圈电机的高速控制,产生各种不同频率的信号
2. 通过对小高频阀的关断来保持系统停止工作的一瞬间,系统内部处于一种真空状态。
ADx 是模拟信号差分输入端口,以此采集流量计的响应波形,并在计算机上得以显示,有助于我们对图形的分析,以此比较各流量计的响应速度[5]。下图是我们系统软件流程图。
6 装置实验结果的分析
输出响应特性是衡量空气流量计质量好坏的重要指标之一,好的流量计响应特性中响应速度很快(即上升沿和下降沿很陡),并且波形比较平整,当给予稳定的空气流量时,振荡比较小,并且没有漂移。
博世作为全球发动机管理系统供应商之一,始终致力于满足各大汽车厂商不断提高的发动机性能要求。在博世为全球各大整车厂提供的发动机管理系统中,空气质量流量计是重要产品之一,其具有极高的空气质量测量准确度,性能稳定可靠,从而能够保证发动机最佳运行特性和最佳动力性[6],实现更低的燃油消耗和更低的排放水平。因此,博世正品的一些性能参数将作为我们实验的重要参考标准。
以此我们选择了两种流量计作为我们实验的参照对象, 一个是博士正品空气流量计, 另外一个是仿造的, 我们将从各方面来对比这两种流量计响应速度之间的差距。
OWON Wave Software 为支持示波器的通讯软件,可以实现对流量计波形的采集存储, 并改变图形的时基、频率、电压来更清晰的分析各流量计的响应曲线。软件运行 3 秒钟后,系统将自动进入主界面。主界面如图 5 所示。
(1) 博世正品空气流量计
从图 6 博世正品的动态特性曲线中,我们可以看到其性能特别稳定。排除掉空气量逐渐减小, 波形的峰值有所下降外, 图上显示的五个周期的波形很一致。首先一个加速电路(加速电路用于开关电路,主要目的是改善脉冲上升沿和下降沿,使其更陡峭),让电压瞬间上升到一个很高的位置, 然后回落, 在电压稳定的位置,波形十分平整,上下震动的幅度很小,最后在下降沿处有一个弧形的区域, 下降完成后的波段依然很平整,整体性能好。
改变博世正品波形图中水平时基的大小,调整水平位置得到其在 10ms 时的上升沿波形和 25ms 时下降沿波形如图7(a/b)所示。
在图7(a)中我们可以观察到,从信号开始上升到第一次达到稳定值 63% 所用的时间<2ms,这个响应时间非常短的。图7(b)中我们可以观察到从稳定值下降到再次稳定值 63% 的时间<25ms.
(2) 博士仿品空气流量计
从图 8 博世仿品的动态特性曲线中,我们可以看到虽然图上显示的五个周期的波形一致程度比较高但其性能很不稳定。首先也是一个加速电路, 让电压瞬间上升到一个很高的位置,然后回落,但是这里的回落并有落在我们希望的稳定值,而是偏下了很多,为了达到稳定值[7],电压又开始上升,上升值再次偏大,又开始下降,即出现振荡,重复的过程中,振幅开始减小。下降 速度比较慢,且下降后的值仍然有振荡,整体的性能比较差。
改变博世仿品波形图中水平时基的大小,调整水平位置得到其在 50ms 时的上升沿波形和 50ms 时下降沿波形如图9(a/b)所示。
在图 9 ( a ) 中我们可以观察到, 上升的响应速度<20ms,这个响应时间比博世正品长了很多。图9(b)中我们可以观察到,下降的响应速度<40ms.
以此可见,不同流量计之间的响应速度还是有差距的,短短相差几十 ms,就很有可能影响喷油 ECU 对喷射装置[8]的控制,反应快,调整的也快,既提高了效率,又节约了能源,相比一个响应速度慢的流量计,确实起到事半功倍的效果。
7 结束语
本文介绍了一套实验室自发研制的一套流量计响应速度[9]测试装置的研究,目前在市场上我们还没有发现类似装置的开发,所以我们这个课题的提出以及最后的成功研制对我国流量计及汽车行业的发展是相当有意义的。
本装置采用抽真空,利用大气压力产生稳定气流,并通过USB 多功能采集卡输出并采集信号,通过驱动电路,以不同频率的开关速度对高频阀进行驱动,并将流量计的响应曲线采集并保存到计算机中,为我们之后的分析提供了便利。
参考文献:
[1] 李长武,梁国伟.汽车用热线式空气流量传感器[J].传感器技术,2004(8):38-40.
[2] 蔡武昌,孙淮清,纪刚.流量测量方法和仪表的选用[M].北京:化学工业出版社,2001.
[3] 周作元,李荣先.温度与流体参数测量基础[M].北京:清华大学出版社,1986.
[4] 张国雄,金篆芷.测控电路[M].北京:机械工业出版社,2000.
[5] 罗晶,陈平.热式质量流量计测量电路设计[M].仪表技术与传感器,2004(10):29-30.
[6] 黄文伟.质量型空气流量计原理及检测[J].汽车工艺与材料, 2002,(5):41-42.
[7] BRUUN H.H..Hot-wire anemometry principles andsignal analysis[M].New York:Oxford UNIversity press,1995.
[8] SIMTHS A.J.,PERRY A.E.,HOFFMAN P.H..Theresponse to temperature fluctuations of aconstant-current hot-wire anemometer,[J].Phys.E:Sci.Instr..1978,(11):909～914.
[9] BRUUN H.H..A note on static and dynamiccalibration of constant-temperaure ot-wir probes.[J].FluidMech.,1976,76:145～155
作者简介:金了( 1 9 8 4 - ) , 男,硕士研究生,主要从事检测控制方向的研究。
