[科普中国]-涡旋流量计

简介

空气流量传感器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。如果空气流量传感器或线路出现故障，ECU得不到正确的进气量信号，就不能正常地进行喷油量的控制，将造成混合气过浓或过稀，使发动机运转不正常1。

卡曼涡旋式空气流量计的结构特点与工作原理卡曼涡旋式空气流量计，是在进气道中安装涡旋发生管，流经的空气速度不同，在管的出口端附近产生频率不同的涡旋，在涡旋附近安装一金属薄片。薄片随涡旋发生振动，就像人的耳膜受声波的激励发生振动。薄片上涂有反光材料，对发光二极管发出的光线进行反射，当反射光线经过光电晶体管时产生电脉冲信号。通过计算脉冲的频率可以知道涡旋的频率，从而得到空气的流速。这个过程像人的眼睛，是靠感受光线来获得信息的。卡曼涡旋空气流量传感器具有如下特点:精度高、寿命长，可靠性高。

为了克服活门式空气流量传感器的缺点，即在保证测量精度的前提下，扩展测量范围，并且取消滑动触点，开发出小型轻巧的空气流量传感器，即卡曼涡旋式空气流量传感器。卡曼涡旋是一种物理现象，涡旋的检测方法、电子控制电路与检测精度根本无关，空气的通路面积与涡旋发生柱的尺寸变化决定检测精度。又因为这种传感器的输出的是电子信号频率。所以向系统的控制电路输入信号时，可以省去AD转换器。因此，从本质来看，卡曼涡旋式空气流量传感器是适用于微机处理的信号。这种传感器因为是检测体积流量所以不需要对温度及大气压力进行修正。

在进气管道正中间设有一流线形或三角形的涡流发生器，当空气流经该涡流发生器时，在其后部的气流中会不断产生一列不对称却十分规则的被称为卡曼涡流的空气涡流。根据卡曼涡流理论，这个旋涡行列是紊乱地依次沿气流流动方向移动，其移动的速度与空气流速成正比，即在单位时间内通过涡流发生器后方某点的旋涡数量与空气流速成正比。因此，通过测量单位时间内涡流的数量就可计算出空气流速和流量。

测量单位时间内旋涡数量的方法有反光镜检出式和超声波检出式两种。反光镜检出式卡曼涡旋流量传感器，其内有一只发光二极管和一只光敏三极管。发光二极管发出的光束被一片反光镜反射到光敏三极管上，使光敏三极管导通。反光镜安装在一个很薄的金属簧片上。金属簧片在进气气流旋涡的压力作用下产生振动，其振动频率与单位时间内产生的旋涡数量相同。由于反光镜随簧片一同振动，因此被反射的光束也以相同的频率变化，致使光敏三极管也随光束以同样的频率导通、截止。

超声波检出式卡曼涡旋式空气流量传感器在其后半部的两侧有一个超声波发射器和一个超声波接收器。在发动机运转时，超声波发射器不断地向超声波接收器发出一定频率的超声波。当超声波通过进气气流到达接收器时，由于受气流中旋涡的影响，使超声波的相位发生变化。根据接收器测出的相应变化的频率，计算出单位时间内产生的旋涡的数量，从而求得空气流速和流量，然后根据该信号确定基准空气量和基准点火提前2。

检测原理这种空气流量传感器的流量检测的原理:当有卡曼涡旋产生时，就随着速度及压力的变化，流量检测的基本原理就是利用其中速度的变化。空气流量传感器输出至控制组件信号波形。信号为方波、数字信号。进气量越多，卡曼涡旋的频率越高，空气流量传感器输出信号的频率就越高.

压力变化检测型卡曼涡旋式空气流量传感器:

涡流是从涡旋发生器两端交替发生的，因此涡旋发生器的两端的压力也是交替变化，这种压力的变化通过涡流发生器下游侧锥型柱上的导压孔引导到反光镜腔中，反光镜腔中的反光镜是用很细的张紧带张紧的，所以，张紧带上出现扭曲与振动，此外，利用板弹簧给张紧带加上适当的张力，由此，除振动与涡旋压力之外的压力变化等难以造成影响，从而可得到稳定的扭转与振动。

因涡旋出现而形成的压力经导压孔到反光镜腔中，与反射腔中的压力变化同步、反光镜在张紧带上形成扭转、振动。反光镜非常轻巧，即使在低流量、压力变化非常小的状况下，也会动作。在反光镜的上部，相应配置有发光二极管与光敏三极管等构成的光传感器，二极管发出的光经反光镜反射，并射到光敏三极管上时，就会变成电流，经波形电路后输出3。

波形检测卡曼涡旋式空气流量计通常与空气滤清器组成一体，这种类型常见用在三菱发动机系统中，它的输出方式是数字式，但它与其它的数字式输出的空气流量计不同，大多数数字式输出的空气流量计随空气流量的改变，输出频率将随之改变，而卡曼涡旋式空气流量计不仅改变频率，同时还改变脉冲宽度，通常数字式空气流量计在空气流量增大时频率也随之增加，在加速时，卡曼涡旋式空气流量计与其它数字式空气流量计不同之处在于它不但频率增加，同时它的脉冲宽度也改变，因为大多数卡曼涡旋式空气流量计有提供与空气流量对应的频率参数，所以测试卡曼涡旋式空气流量计时，波形图就十分有用2。

试验方法起动发动机，试验不同转速时的情况，把较多的时间用在测试发动机性能有问题的转速段内，看示波器;确信在任何给定的运行方式下，波形的重复性和精确性幅值、频率、形状脉冲宽度等几个方面关键参数都是不相同的;确信在稳定转速的空气流量的情况下，空气流量计能产生稳定频率1。

波形结果在大多数情况下，波形的振幅应该满5V。同时也要按照一致原则看波形的正确形状，矩形脉冲的方角及垂直沿。

在稳定的空气流量下流量计产生的频率也应该是稳定的，无论是什么样的值都应该是一致的。当这种型号的空气流量计工作正常时，脉冲宽度将随加速的变化而变化，这是为了加速加浓时，能够向控制电脑提供非同步加浓及额外喷射脉冲信号。所看到的可能的缺陷和不正确的关键参量是脉冲宽度缩短，不应该有峰尖以及圆角的产生，这些都会影响发动机性能和造成排放等问题3。