孔板流量计代替传统车用流量计优缺点
摘要：空气流量作为发动机喷油量和点火时间的重要参数直接影响着发动机的空燃比, 因此, 孔板流量必须准确测量。利用孔板流量计直接测量空气流量的特点, 提出以32位ARM Cortex M0+内核的MKE02Z32VLC2单片机为控制核心, 充分利用其内部的FLASH、ADC、FTM等硬件资源设计了一款发动机进气孔板流量计。针对传统车用流量计忽略环境温度补偿电阻自热效应的缺陷进行改进;为提高信号采集的性, 提出改进型的滤波算法;设计的流量计输出模拟和数字信号解决传统流量计只输出单一信号而无法通用的缺点。实验测试表明, 流量计精度满足发动机的要求。
0 引言
孔板流量计应用于汽车燃油喷射装置上, 安装在汽车空气滤清器和节气门之间的进气通道上, 用于实时测定发动机吸入的空气质量流量。电控单元 (ECU) 根据孔板流量计的输出信号来决定基本喷油量和点火时间, 使得发动机在不同工况下都能获得***佳空燃比 (空气质量/燃油质量) 。因此, 孔板流量计的测量精度对发动机提高燃油效率及减少汽车尾气排放有着至关重要的作用。
目前用于测量汽车发动机进气流量的流量计按照测量参数可以分为体积流量型和质量流量型, 质量流量型流量计按其敏感单元不同又可以分为热线式和热膜式2种。热线式和热膜式的工作原理相同, 只是结构不同, 均可直接测量空气的质量流量, 相比体积型流量计, 孔板流量计具有更高的精度和响应速度。
本文以 E系列32位ARM Cortex M0+内核芯片MKE02Z32VLC为核心进行电路的设计与实现, 其具有强大的处理性能和强抗干扰性[1], 其推出的目的是取代传统的8/16位单片机, 文中充分利用其内部资源进行软硬件设计。设计的车用孔板流量计取得了较好的重复性和精度, 但是其忽视了温度补偿电阻也是有电流的, 当空气流量增大, 这种自热效应更加明显[3], 本文对于发动机进气流量计的电桥进行了优化;文献[4]在标定时采用了256B的EE-PROM储存偏差值, 标定值分辨率较低, 本文利用了处理器的内部程序存储器, 使用4 KB FLASH存储空间存储偏差值, 提高了标定偏差值的分辨率。为提高测量数据的准确性, 对信号采集的滤波算法进行了优化。对于传统车用孔板流量计只输出一种模拟信号或数字信号进行改进, 使得流量计同时输出模拟和数字信号以满足不同电控ECU对信号的需求。
1 孔板流量计的原理
孔板流量计在测试管道放置2个铂电阻, 加热电阻通过较大电流, 另一个温度补偿电阻通较小电流用于温度补偿 (传统车用流量计忽略其自热) 。根据托马斯理论[5]:“气体的吸热量或放热量与该气体的质量流量成正比”, 可得气体质量流量和加热电阻所消耗的电能关系为
式中:E为单位时间内加热电阻对流换热所散失的热量, J;C为空气的比热容, J/ (kg·℃) ;ΔT为空气温度定常值, ℃;q为单位时间内空气的质量流量, kg/h。
由于空气比热容是一个定值, 则质量流量只与加热电阻所消耗的电能和温差有关, 因此有2种方案:恒温差式和恒流式[6-7]。由于恒流方案存在响应滞后等缺点, 无法满足发动机的要求, 所以一般采用恒温差方式。
根据传热学原理, 加热电阻存在强迫对流、自然对流、导热、辐射等几种方式的传热。由于流量计加热电阻与空气温差小于300℃, 因而热辐射影响极小。在流速大于0.5 m/s时, 自然对流、导热也可忽略不计。因此, 加热电阻主要在于强迫对流传热, 可以推导出散热量与空气的质量流量Qm的关系式为
式中:Qfc为强制对流散热, J;K为常数;KT为温度系数, 随温度升高而增大, KT=0.15~0.18%/℃, 这种温度漂移可以通过点桥上电阻的配置来抵消) ;Th为加热电阻温度, ℃;Tat为进气温度, ℃。
2 系统框图设计
硬件框图如图1所示。加热控制电路保持惠斯登电桥的平衡, 当有空气流过加热电阻, 加热控制电路维持加热电阻与环境补偿电阻的温度差。由于流量信号非常微弱且变化范围小, 因此需要调理, 并且进行A/D转换后还要再经过滤波算法进行滤波处理, 进而对得到的基本流量信号再处理, ***后输出PWM流量信号, 经过12位DAC7512进行转换输出模拟信号。
3 主测量电路
图2是传统温差式热式孔板流量计的工作原理图, RK、R1、R2、RH、RM组成惠斯登电桥。RH是加热电阻, RK是环境温度补偿电阻 (其作用是测量进气温度, 进气温度变化时该电阻阻值变化进而使得加热电阻温度变化, 惠斯登电桥进行调整, 使加热电阻的温度保持比温度补偿电阻高出一定值) 。将RH和RK置于惠斯登电桥的两臂, RH通入的电流需要50 m A以上, 用于测量空气流量。R1、R2、RM均为精密电阻。通过合理设置R1、R2、RM的电阻阻值, 在电路通电时使得UM>UN, 运放输出高电平, 功率三极管Q加大电流, 使得RH温度上升, 阻值上升。当电路平衡时有UM=UN, 也即:
图1 系统硬件框图
当有空气流过加热电阻时带走热量, 通过功率三极管Q加大电流补偿空气带走的热量, 保持加热电阻RH与环境温度的恒定温差。通过RH上电流的改变引起的电压变化来得到空气流量信号。
图2 基本测量电路
以上基本电路忽略了RK的自热效应, 只有当RK上的电流远小于RH上的电流才能使得RK的发热忽略不计。我们华云仪表为解决发动机用孔板流量计的温度补偿电阻进行改进:其基本思想是将环境温度补偿电阻RK上的电压设置为原来的1/K倍, 在保持电路平衡时, 再利用差动放大电路将其电压值放大K倍, 当K较大时, 可以有效地降低温度补偿电阻对电桥的影响, 保证电桥的准确度。如图3所示, 三极管的发射极经过R3、R4进行分压, 经过运算放大器进行电压跟随之后给RK、R2进行供电, 这样就降低了电压K倍数, 可得N点的电压如式 (4) 。
运算放大器将VN的电压通过差动放大电路进行放大, 由运放“虚短”和虚断可以得到点N'的电压如式 (5) :
通过调整RI1、RI2、RF1、RF2、R3、R4使其得到式 (6) :
当R4+R3远大于R4时, 则可以解决温度补偿电阻RK因自热效应造成的偏差。
流量信号检测原理图如图4所示, 从惠斯登电桥输出的流量信号先经过放大电路进行放大, 其输出信号再经过差动放大电路输出, ***后通过ADC模拟接口电路进行输出信号的调整后送入MKE02Z32VLC2进行相关处理, 控制器自带12位SAR AD, 32 KB的FLASH, 并有PWM、SPI等模块。
图4 信号处理电路
4 滤波算法
在流量检测电路检测出空气流量后, 经过信号处理电路处理的流量信号需要进行A/D转换, 因此需要较高精度的A/D转换器, 本文采用MKE02Z32VLC2处理器自带12位分辨率的SAR ADC。对基本流量信号进行多次重复测量, 并通过改进后的滤波算法进行滤波, 某次测量得到的A/D值如表1所示。
表1 某次流量信号测量A/D值
数字滤波算法步骤如下:
(1) 首先对流量值使用希尔排序算法进行排序, 希尔算法的平均时间复杂可以达到O (N1.3) , 其思想是先将整个排序元素分割成若干个子序列, 然后分别进行直接插入排序。对数据用希尔排序后得到:2 192, 2 197, 2 198, 2 209, 2 212, 2 213, 2 217, 2 217, 2 218, 2 220, 2 237, 2 341。
(2) 然后求平均值及标准差:平均值为2 222.58, 标准差为39.2。
(3) 可以剔除的数可能为***大值、***小值, 计算2个数的残差:2 192-2 222.58=-30.58;2 341-2 222.58=118.42。
(4) ***小值的Gmin=(平均值-***小值) /标准差, ***大值的Gmax=(***大值-平均值) /标准差。
(5) 确定检出水平, 一般为0.01或0.05, 值越大置信区间越宽松, 根据实际条件进行确定, 本论文使用0.01, 查表可以得到固定的临界值, 与G1、Gn作比较;若G1 (Gn) 大于临界值, 则剔除, 反之保留。显然, ***大值2 341被剔除了。
(6) 重复步骤2至步骤5, 直到所有数据满足要求。
(7) 进行均值滤波, 输出信号。
本系统使用的滤波算法能有效滤除干扰, 保证数据的平滑性而又不失实时性, 能够快速对外界的干扰进行响应。每次采样后先进行一次排序, 排序后对数据进行格拉布斯准则进行数据剔除, 降低计算周期提高滤波效果。
5 测试结果
在设计完流量计后, 对流量计进行标定, 为不破坏单片机的应用程序, 将标定的偏差值保存在MKE02Z32VLC的FLASH存储器的***尾部4 KB扇区内。由于受测试仪器的限制, 并没有作出整个空气流量范围内的 (8~370 kg/h) 的数据测量。只测量前半段的数据。设计的流量计满足汽车级宽范围的输入直流电压7~18 V。基本流量测试结果如表2所示。
表2 流量测试结果
从上面可以看出, 所设计的孔板流量计的输出电压与标准流量计数据非常吻合, 说明精度能达到汽车发动机的要求。
6 结束语
本文对传统孔板流量计忽视温度补偿电阻的自热效应问题, 通过降低温度补偿电阻的电流来降低其对流量信号的影响。对流量信号的采集滤波算法结合格拉布斯准则进行了优化, 并集成模拟信号和数字信号的输出, 使其能够同时输出模拟和数字信号, 适应不同的电控单元。在标定时, 通过使用MKE02Z32VLC2内部32 KB的FLASH程序存储器, 将标定偏差值存储在FLASH的高4 KB地址处而无需另外扩展存储器。电路设计采用了汽车级的集成电路, 并使用小型贴片封装减少电路板的面积以便能适用于取样件。测试结果表明, 流量计具有较高的精度, 能够满足汽车发动机的需求。