热线式空气流量计的原理和应用

1.结构

热线式空气流量计由感知空气流量的白金热线、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻（冷线）、控制热线电流并产生输出信号的控制线路板，以及空气流量计的壳体组成。根据白金热线在壳体内安装的部位不同，可分为主流测量方式和旁通测量方式两种结构形式。

图11-39 主流热线式空气流量计结构

1—防护网 2—取样管 3—白金热线 4—温度补偿电阻 5—控制线路板 6—电连接器

图11-40 主流热线式空气流量计基本电路图

A—混合集成电路 R_H—热线电阻 R_K—温度补偿电阻 R_A—精密电阻 R_B—电桥电阻

图11-39是采用主流测量方式的热线空气流量计的结构图，取样管2置于主空气通道中央，两端有金属防护网1，防护网用卡箍固定在壳体上，取样管由两个塑料护套和一个热线支承环构成，热线为线径70μm的白金丝，布置在支承环内，其阻值随温度变化，是惠斯顿电桥电路的一个臂R_H（如图11-40所示）。热线支承环前端的塑料护套内安装一个白金薄膜电阻器，其电阻值随进气温度变化，称为温度补偿电阻，是惠斯顿电桥电路的另一个臂R_K。热线支承环后端的塑料护套上粘接着一只精密电阻，并设计成能用激光修整，它也是惠斯顿电桥的一个臂R_A，该电阻上的电压即产生热线空气流量计的输出电压信号。惠斯顿电桥还有一个臂R_B的电阻器装在控制线路板上面，该电阻器在最后调试试验中用激光修整，以便在预定的空气流下调定空气流量计的输出特性。

热线式空气流量计的电控线路包括电桥平衡电路、烧净电路和怠速混合气调节电位器，电控装置的大多数元件（除R_H、R_K和R_A外）都配置在这块混合集成电路板上。

图11-41是采用旁通测量方式的热线空气流量计的结构图，它与主流测量方式在结构上的主要区别在于：将白金热线和温度补偿电阻（冷线）安装在空气旁通道上，热线和温度补偿电阻是用铂丝缠绕在陶瓷线管上制成的。

图11-41 旁通热线式空气流量计

2.工作原理

热线式空气流量计的铂丝热线电阻的R_H置于进气空气流中，在单位时间内损失的热量可用下式表示

H=[（A+B）（ρv）ⁿ][T_H-T₀] （11-40）(www.xing528.com)

式中 A，B——常数；

ρ——空气密度；

v——空气流速；

T_H——热线电阻R_H的温度；

T₀——空气温度；

指数n随热线的形状和雷诺数Re而变化，这里取近似值0.5，A、B的值与空气物理性质和热线的形状有关。热线产生的热量Q可由下式表示

Q=R_HI²_H （11-41）

在热平衡时，Q=H，故当热线和空气流的温度（T_H-T₀）为一定时，供给热线的电能就是空气质量流量的衡量尺度。

热线电阻R_H和空气温度补偿电阻R_K组成惠斯顿电桥，控制电路使热线的温度始终保持比空气流温度高100℃。当空气流量增加时，对热线的冷却作用加剧，电阻减小，从而改变电桥中的电压分布，控制电路立即加大加热电流I_H予以修正。因此加热电流I_H就是空气质量流量的量度，并以精密电阻R_A的端电压U_M作为输出信号。空气质量流量q_m与输出电压U_M有如下的关系

q_m=K₁（U²_M-K₂）² （11-42）

式中 K₁和K₂——常数。

加热电流在50～120mA之间变化时，为避免精密电阻R_A自热，采用温度系数很低的金属薄膜电阻。电桥另一个臂上的电阻高得多，电流只有几毫安，以减少电损耗。其中R_K是白金薄膜电阻作为温度补偿。电阻R_B在最终调整时要激光修整，以便在预定空气流量下调准空气流量计。

由于这种空气流量计基于热线表面与空气的热传导，热线上任何沉淀物都将对输出信号产生有害的影响，因此控制电路具备自动“烧净”（Burn-off）功能。每当发动机熄火后4s，控制电路发出控制电流，使热线迅速升至1000℃高温，加热1s，将粘附于热线表面的污物完全烧净。

这种空气流量计可直接测得进气空气的质量流量，无须温度和大气压力补偿，无运动部件，进气阻力小，响应特性好，可正确测出进气管空气流量，自20世纪80年代初研制成功后，得到了广泛的应用。不过在流速分布不均匀的情况下，它的测量误差较大。