热膜式空气流量计的测量技术

郭小兰

摘 要： 热膜式空气流量计是基于热平衡原理，用于检测吸入发动机空气的质量流量计。可测量吸入发动机气缸的空气量并将其转变成电信号传送给ECU，是确定基本喷油量的重要依据之一。本文通过对热膜式空气流量计的测量原理、温度补偿的分析介绍了其测量技术。

关键词： 热膜式空气流量计 恒温差控制 温度补偿

空气流量传感器AFS（Air Flow Sensor）又称为空气流量计AFM（Air Flow Meter），其功用是检测发动机进气量大小、并将进气量信息转换成电信号输入电控单元（ECU），以供ECU计算确定喷油时间（即喷油量）和点火时间。进气量信号是控制单元计算喷油时间和点火时间的主要依据，同时对发动机的正常运转、提高燃油效率及减少汽车尾气排放起到至关重要的作用[1]。

1.热膜式空气流量计的基本原理

图1 热膜式AFS的结构 图2 热膜式AFS内部元件示意图

1—接线插座 2—护套 1—过滤层 2—温度补偿电阻

3—铂金属膜 4—防护网 3—热膜电阻

热膜式空气流量计的发热元件是铂金属膜，铂金属发热元件的响应速度很快，能在几毫秒内反映出空气流量的变化，因此测量精度不受进气气流脉动的影响。此外还具有进气阻力小，不磨损部件等优点，因此目前大多数中高档轿车都采用了这种热膜式空气流量计[2]。

热膜式空气流量计的结构如图1所示，热膜电阻设在其内部的进气通道的一个矩形护套中。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度，在护套的空气入口一侧设有空气过滤层，用以过滤空气中的污物。为了防止进气温度变化使测量精度受到影响，在热膜电阻附近的气流上游没有铂金属膜式温度补偿电阻，如图2所示。温度补偿电阻和热膜电阻与计内部控制电路相连，控制电路与线束连接器插座相连，线束插座设在计壳体中部。热膜电阻的阻值比较大，消耗的电流较小，使用寿命较长。但是，由于其发热元件表面制作有一层绝缘保护薄膜，存在辐射热传导作用，因此响应特性稍差[3]。

2.热膜式空气流量计测量原理

2.1空气流量测量原理

热膜式AFS测量原理如图5所示。当发动机怠速时，其节气门关闭或接近全闭，因此空气流速低，空气量少；如果空气为热空气，则空气温度越高，空气密度越小。所以在体积相同的情况下，热空气的质量小，因此发热元件受到冷却的程度小，阻值减小幅度小，保持电桥平衡需要的电流也小，如图5（a）所示，故取样电阻上的信号电压低。反之，当发动机负荷增大时，由于空气流速快，进入的空气量多，相对来说，空气为冷空气，发热元件受到冷却的程度就大，阻值减小幅度大，保持电桥平衡需要的电流也大，如图5（b）所示，故取样电阻上的信号电压高。控制单元ECU根据信号电压即可计算出空气量。

a 怠速或热空气时 b 负荷增大或冷空气时

图5 热膜式AFS测量原理

2.2温度补偿原理

当进气温度变化时，发热元件的温度就会发生变化，测量进气量的精度就会受到影响。设置温度补偿电阻（温度计）后，从电桥电路上可以看出，当进气温度降低使发热元件上的电流增大时，为了保持电桥平衡，温度补偿电阻上的电流相应增大，以保证发热元件温度与温度补偿电阻之差保持恒定，使流量计测量精度不受进气温度变化的影响。

3.结语

热膜与进气流的温度差，在流量计可保持120℃恒定。空气流过时所需的加热电流即为流过的空气质量的度量。由于测定的加热电流无需校正，它可以直接作为进入空气的质量流量，故测量的误差较小，可保证±2%的范围内。为了保证进气流动均匀地流入进气测量管中，在流量计的入口处的防护栅格可减少流量计中的热膜受污，也可使热膜式传感器减少机械损伤。这种空气质量流量计的流量量程比约为1：60。设计要求在最大流量计测时，进气压力的损失不能减小发动机的充气效率。由于热膜式流量计能满足精度要求，且结构简单，抗沾污能力强，价格便宜，因此在汽车上应用较多。

参考文献：

[1]黄修铜，王婷旺，杨文涛，王鲜.基于PIC单片机的热膜式空气流量计设计[J].传感器世界，2013.11.

[2]司景萍，高志鹰.汽车电器及电子控制技术[M].北京大学出版社，2012.

[3]李矿理，武文.汽车电器电子装置检修图解[M].金盾出版社，2008.