空气湿度对热膜式空气流量计计量误差的影响

空气湿度对热膜式空气流量计计量误差的影响

吴军

吴军WUJun（常熟市计量测试所，常熟215500）（ChangshuInstituteofMeasurementandTesting，Changshu215500，China）

Abstract:Nowthewidelyusedairflowmeterisahot-filmairflowmeter.Butrelevanttestsfindthatairhumidityhaseffectonthemeasurementerrorofhot-filmairflowmeter.Thispapermainlyanalyzestheeffectofhumidityonairflowmetermeasurementfromtheoreticalyandexperimentally.关键词院热膜式空气流量计；空气湿度；计量误差Keywords:hot-filmairflowmeter；airhumidity；measurementerror中图分类号院TH814文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）06-0057-030引言在过去的时代，汽车是一个以机为主体、以电为辅的一个交通工具，但是现在汽车以及成为了一种高度自动化和电气化的一种新型的交通工具。现在对于汽车的全面控制基本上可以用一些比较专业的计算机来完成，在这当中，电子控制汽油喷射系统是比较具有代表性的一种。其主要工作原理就是，首先就是通过计量器来对发动机的进气量进行计算，然后在根据相应的进气量来决定相关汽油的喷射量，从而来使得发动机达到一个最佳的控制效果。

所以从另一方面就可以看出，其实发动机的工作效率的高低，主要就是取决于流量计对于进气量的精准程度。现在的空气流量计当中，使用最为普遍的就是热膜式的空气流量计。

1空气流量计的分类在现代技术的发展下，空气流量计根据工作原理的不同，主要有两种类型：流量感应式空气流量计和压力感应式空气流量计。

1.1流量感应式空气流量计。在流量感应式空气流量计中，有热线热膜式空气流量计、动片式空气流量计和卡曼涡旋式空气流量计三种。在出现的时间先后上，动片式空气流量计是出现最早的空气流量计；随着信息技术的发展，发展到了现在的热线热膜式空气流量计。在电压输出方式上，动片式空气流量计是与进气量成反比的流量计，卡曼涡旋式空气流量计和热线热膜式空气流量计与其相反，都与进气量成正比关系。控制精度上，动片式的精确度比较差，其他两种方式都能计量相对精确的空燃比。在通道阻力，瞬太响应等方面，热线热膜式和卡曼涡旋式的工作状态都是比较好的，能及时准确的完成空气的计量工作，它们计量的是进气质量的流量。可是在卡曼涡旋式和热线热膜式空气流量计中，后者更经济更实惠，符合国家倡导的节能和环保工作，是现今发动机中运用比较广泛的一种空气流量计。万事没有十全十美的，热线热膜式空气流量计在对进气量进行测量的时候，受空气湿度影响较大。

1.2压力感应式空气流量计。压力感应式空气流量计与流量感应式空气流量计相比，数据计量的精确度比较差，因此它主要运用于电喷系统中。压力感应式空气流量计是先测定发动机节气门后方的绝对压力，通过压力测试空气密度，加之发动机的转速反算发动机的进气量来进行空气流量的计量的一种工作方式。

2空气流量计的工作原理2.1压力感应式空气流量计的工作原理。压力感应式空气流量计是通过测量发动机节气门后方的压力来计算出空气质量的方式。所以在压力感应式空气流量计中，完成的主要工作就是压力的测量。压力感应式测量压力的主要元件是压力传感器，可见它的工作原理就是通过压力传感器对压力的测量，把压力值传输给电子控制单元（ECU），ECU通过压力和发动机转速计算出空气流量计。

压力传感器由压力转换元件，滤清器、信号放大装置和外壳组成。而压力转换元件又由4个电阻采用惠斯顿电桥方式连接，当压力转换元件两侧受到的压力不一样时，电桥的两端就会出现电压差，电压差通过信号放大装置把数值进行放大，最后输送到电子控制单元。

2.2热膜式空气流量计的工作原理。流量感应式空气流量计的方法有几种，从使用的范围看，热膜式空气流量计使用的比较广泛，因此我们主要对热膜式空气流量计的工作原理进行讨论。热膜式空气流量的结构大致为：金属护网包裹着气流温度传感器，热膜贴于气流温度传感器上，在金属护网外安置我们的控制电路，当空气进入进气管后，热膜与空气接触，是气流温度传感器工作，最后把数值传导给电子控制单元，计算出我们的空气流量值。热膜式空气流量计中的主要工作部件就是我们的气流温度传感器，而气流温度传感器的主要部件热膜电阻，热膜电阻是由流量传感部件和热电阻组合而成，流量传感部件和热电阻都是设计成铂膜的样子的电阻组装而成。热膜电阻安装与传感器内的一个长方形护套内，护套又放在传感器的空气通道上，这样可以使我们的热膜电阻与空气接触进行空气计量。热膜式空气流量计的气流温度传感器的两端安装有两个圆形的接头，这个两个圆形接头同时又与我们的空气进气道想通。空气的入口方向安装有一个防护网，以防止外界物质进入传感器损坏传感器。热膜电阻在进行空气计量的时候，对于电阻表面的清洁度要求相对比较高，如果表面附有污染物，会影响进入管道内空气的温度，降低空气计量的精确性，所以，在传感器中的护套外需要安装空气过滤装置，以阻止空气中的污染影响进气的温度从而影响测量精度。同时，为了降低进气空气温度变化对测量准确性的影响，我们在热膜电阻旁，空气进气入口方安装了一个铂膜式的温度补偿电阻，减少空气温度对热膜电阻的影响。在热膜式空气流量计量中，传感器电阻也是采用惠斯顿电桥方式连接，当热膜电阻两端无电压差时，我们的气流温度传感器就保持在一个恒定的温度值；当空气进入我们的气流管道后，通过温度补偿电阻和热膜电阻后，使两个电阻的温度降低，电阻值变小。当电阻值减小的时候，热膜电阻的恒定温度值就发生变化，控制单元就会开始工作，输送电流给热膜电阻，使热膜电阻再次保持恒定温度。控制单元输出的热量输送与电子控制单元后，就能准确计量出空气流量值。

3热膜式空气流量计的特征3.1湿度。热膜式空气流量计受空气湿度的变化，计量的数值精确度也会产生变化。以干燥的空气为基准，当空气湿度增加的时候，空气计量的误差也会增加，因为湿空气能提高空气的导热效果。

3.2温度。热膜式空气流量计受空气温度的变化，计量的数值精确度会有所变化。以常温温度为23益为准，当空气温度升高的时，空气计量的误差会逐渐增强；当空气温度降低时，空气计量的误差也会逐渐增强。产生这种现象的主要原因是因为热辐射和空气的特性。

4空气流量计的重要性在具有电子喷射系统的汽车上，空气流量计具有非常重要的作用，它是电子喷射系统进行油喷控制的基本信号，同时也是起决定性作用的信号。对于汽车的混合动力比，发动机的污染性、稳定性以及动力性空气流量计都将产生非常重要的影响。

如果空气流量计的信号在发生故障不能工作的时候，电控单元就会故障的代码进行存储，同时在这个时候节气门位置的信号就将代替空气流量计信号对空气的进气量进行测量，这也是电控单元的主要功能即失效保护的功能。但是，在信号的强度上，好一些的空气流量计的信号还是节气门位置的信号是有很大的差距的，好的空气流量计在精度上面要高些，这样的话就会使得发动机的各项性能就会好一些，相反的节气门位置的信号精度就不是很高，所以在发动机的各项性能上也会差一些。

当空气流量计的信号去先偏差或者是不准确的时候，电控单元在进行电控喷油的时候就会按照相应的偏差或者是不准确的信号来进行，这样就会使得混合气体的不均匀，要不是出现过稀要不就是出现过浓的情况，这样就会使得汽车的发动机在运行的时候动力不足或者是稳定性不高，这样的情况在一些国产车上是经常出现的。热膜式的空气流量计在功能的设计上不具有自己清洁的功能，常常就会因为一些脏的物体从而影响了空气流量计的信号准确性。传感器的信号不准确带来的危害比损坏的传感器带来的危害都要大一些。

5空气湿度对于热膜式空气流量计计量的误差影响在对空气的湿度对于热膜式的空气流量计计量的误差影响的时候，主要可以通过下面的这两个实验来进行相关的证实，主要目的就是为了要证明两个方面的问题，首先就是看看空气的湿度对于热膜式的空气流量计计量的结果是不是有着很直接的关系，其次就是找出空气的湿度对于热膜式的空气流量计计量误差的一些相关的规律。

5.1空气的湿度对于热膜式的空气流量计的敏感性的实验。这个实验的主要目的就是要去证实空气的湿度对于热膜式的空气流量计计量的一些影响。通过相关实验的主要目的和本人测试所的现有条件做以下的实验相关准备。首先应该要有接受实验的对象那就是电喷式发动机一台，然后就是还应该要有显示、检测以及记录实验对象的数据和反应的解码器和相关配套的计算机，最后还应该要有一台半自动的加湿器，这样方便在实验的过程当中来对发动机的进气的湿度进行调节。

在所有的准备工作完成以后，就可以把解码器的相关测试数据线连接在电喷式发动机的相关诊断插座之上，然后就是就解码器的电源线接好，在电源线接好之后就要将相关的数据线和配套的计算机连接起来。在所有的线路连接好之后，就可以把发动机的点火开关打开，然后就启动计算机进行解码器的测试系统，然后对连接的线路进行相关的检查，直到系统一切正常为止。最后就是要启动发动起并且进入到解码器的测试系统，然后对一些相关的参数进行选定测试，其中就包括了大气的压力、油喷的时间、发动机的转速、进气的温度等，然后就要仔细的对动态的数据进行观察。然后就是将之前准备的半自动加湿器调节到精细的雾状状态，朝发动机的进气口中喷入一些水雾，然后对解码器的动态数据变化进行仔细的记录，对喷雾前后的发动机供油的动态变化进行详细的观察，对相关的数据变化要及时的记录并且加以保存。

这个实验可以根据喷雾的不同来分为两次，第一次实验的时候，主要就是采用比较微细的水雾喷入发动机的进气口，通过相关的数据记录图表可以看出，发动机的喷油时间在喷雾的出现之后而一步步的加大，而在这个时候，由于发动机的喷油时间在增加，所以使得发动机的转速也在进一步的提高。尽管在实际的转速上已经超过了相应的目标转速，但是控制系统对于进气量进行了一个误判，这样就使得供油量超过了应该具有的空燃比，所以发动机的运行结果还是使得发动机的实际转速一直在增加，而并不能按照相应的目标转速进行下降。

而在进行第二次试验的时候，对于喷雾主要就是较大的喷雾的形式来进行的，因为控制的不稳定，就造成了发动机在喷入大量的水雾之后，发动机件的转速快速的下降，最终的结果就是导致了发动机的熄火。这样的实验结果主要就是因为在喷入了大力的水雾之后，发动机判断出进气量与实际的并不相吻合，大量的热量都被水雾给带走了，就使得发动机误以为有很大的进气量，从而对于供油量就加大了，但是因为混合气太浓了，所以就造成了发动机的燃烧被破坏并且最终导致了发动机熄火。

5.2空气的湿度对于热膜式的空气流量计计量误差的相关性的实验。这个实验的主要目的就是要证实空气的湿度对于热膜式的空气流量计计量误差度量的相关联系。

通过相关实验的主要目的和本人测试所的现有条件做以下的实验相关准备。首先还是应该要有接受实验的对象那就是电喷式发动机一台，然后就是还应该要有显示、检测以及记录实验对象的数据和反应的解码器和相关配套的计算机，最后还应该要有一台半自动的加湿器，这样方便·58·ValueEngineering在实验的过程当中来对发动机的进气的湿度进行调节。除此之外应该要有一个检测环境湿度的湿度计以及封闭的空间比较大的一个实验室。在所有的准备工作做好之后，可以同上面的实验一样，先要进行相关的调试直到，实验的测试系统一切正常。

在一切的准备工作完成之后，就可以开始具体的实验，首先是要把半自动的加湿器调节到精细的雾状状态，然后朝着测试发动机的实验室喷入水雾，还有就是要把实验室的湿度调节到一个固定不变的值。最后就是要启动发动起并且进入到解码器的测试系统，然后对一些相关的参数进行选定测试，其中就包括了大气的压力、油喷的时间、发动机的转速、进气的温度等，然后就要仔细的对动态的数据进行观察。然后就是将之前准备的半自动加湿器调节到精细的雾状状态，朝发动机的进气口中喷入一些水雾，然后对解码器的动态数据变化进行仔细的记录，对喷雾前后的发动机供油的动态变化进行详细的观察，对相关的数据变化要及时的记录并且加以保存。在一次实验完成之后，就可以对实验室的湿度进行相应的改变，然后在进行重复的实验，在有需要的时候，可以打开实验室的排气扇从而来更新实验室的空气，同时还要对加湿器进行调节，从而使得实验室的湿度保持在需要的湿度值。

在进行空气的湿度对于热膜式的空气流量计计量误差的相关性的实验的时候，主要通过了对湿度的调整来得出不同的结果。湿度的调节分别是32%、57%、71%、82%、93%，具体的分析数据如表1。

如果来按照发动机的额定工况来计算的话，那么发动机每小时因为空气湿度造成的额外的喷油量就可按照下面的公式来进行计算：Qi=（6000伊2伊ti/1000）伊Qs=12tiQs（mL）在公式当中Qi表示发动机在额定的工况下每分钟的喷油量，Ti就表示单缸在额定工况的情况下喷油量的持续时间，Qs就表示单个喷油器每秒钟的喷油量。如果每年按照300个工作日，每个工作日按照8小时计算的话，那么在空气湿度不相同的情况之下，发动机的喷油量误差就可以由表2来表示。

将具有一定电阻的Rh放在空气流当中，那么它在单位时间内的一个热量损失就可以用下面这个公式来进行计算：H=hs（TH-Tc）。在这个公式当中，h表示电阻的导热率，s表示发热元件的一个表面积，TH表示电阻的温度，而Tc则是表示空气的温度。

那么在空气湿度变化的情况下，上面公式当中的K是一个常数，还有电阻率都不会受到空气湿度的变化而变化，空气和热元件之间的温度差基本上也不会有上面变化，也就是说只有KT才是主要的误差影响因素。

通过上面的一些公式以及第二个实验空气的湿度对于热膜式的空气流量计计量误差的相关性的实验就可以看出，当空气当中有水气的混合之后，相应的导热率就会增加，同时空气的比热在这个时候也会相应的加大，而同时空气粘性系数则会相应的减小，而因为m-n约0，所以在这个时候系统的电流就会随着空气的湿度的增加从而加大，这样就造成了空气的湿度也测试的结果是呈现一个正向的误差。

6结束语发动机进气量的精确计算是电子喷射系统当中一个比较核心的技术，从而可以对发动机的供油量有一个比较精确的计算。在现在广泛应用的空气流量计当中，主要就是流量感应式以及压力感应式空气流量计，在流量感应式的空气流量计当中，因为热膜式的空气流量计在生产工艺和综合性能方面都比较的出色，从而被应用的最为广泛。

随着社会科学技术的进步，现在的热膜式空气流量计在设计方面基本上都已经开始具有了自动清洁的能力，而且对于空气温度对于热膜式的空气流量计的影响也在随着技术的不断发展而变的基本上是可以忽略不计了，而在进行测试的时候，随着科学技术的进步和对于热膜式空气流量计理论的研究，空气压力对于测试的精度也不会很大的影响，这样就使得热膜式的空气流量计在一定程度上克服了自身的一些设计缺陷，使得自己的优势更加的明显。

综上所述，热膜式的空气流量计有着自身的一些优势，但是对在湿度方面对计量误差的影响还是不能忽视的，随着空气湿度的增加，热膜式空气流量计在计量的误差上就会增加，而且通过相关的数据看见是向着正方向偏移的，这样就可以增加传感器的湿度来进行一定的校正，这样就可以让电子喷射系统得到进一步的改进和完善。

参考文献院[1]江军.空气湿度对热膜式空气流量计计量误差的影响[D].北京林业大学,2005.[2]江军,孙焕新,鲍际平.空气湿度对热线式空气质量流量计误差的影响[J].内蒙古林业调查设计,2005,02:55-56，59.[3]李贵德,孟革.浅谈热线(热膜)式空气流量计的机理与检测[J].汽车维修技师,2005,08:47-49.