专利名称：汽车空气质量流量计的校准装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及汽车空气质量流量计的校准装置。
背景技术：
热式汽车气体质量流量测量利用热交换原理来测量空气流量。汽车用空气质 量流量计安装在汽车滤清器和节气门之间的进气通道上，用来测量吸入发动机中的空气 量，其输出信号作为汽车发动机燃油电喷系统中控制燃油喷射量的主要参数，决定汽车 的基本喷油量和喷油时间。由于空气质量流量计对整车性能影响很大，直接影响汽车发 动机的动力性、经济性、油耗、尾气排放指标等总体性能。到目前为止，在汽车空气流量计的生产中，尚未见本发明所采用的装置及方 法。目前已存在的流量标定装置，或流量检定装置，或流量校验装置，其实质是通过装 置来检测出被检流量计输出与理想流量计输出的差异，但不能改变这种差异。目前绝大部分汽车空气流量计是基于热式原理的设计，其传感原理分为两大 类，恒温差式和热分布式。恒温差式空气流量计是将热探头上的电阻加热到比气流温 度高出一个恒定的温度，当空气流过热探头时，将带走热探头上的热量，流量越大，带 走的热量越多，利用测量空气流动所带走的热量来间接测量被测空气的流量；热分布式 空气流量计是在发热电阻的上下游分别安置测温结构，当空气流过热探头时，热探头中 发热元件周围的温度分布被改变，流体下游的温度高于流体上游的温度，流量越大，流 体下游的温度比上游温度高出越多，利用测量发热元件上下游温差来间接测量流体的流 量。恒温差式空气流量计的热探头制作设备投资少，成本低廉，但热探头装配定位的一 致性会明显影响热探头输出原始信号的一致性，因而后期生产工艺要求高，相应提高了 成本，生产过程中出现次品和废品的风险大。热分布式流量计的热探头安装定位的一致 性相对容易控制，但热探头生产设备昂贵，热探头成本高。不管是恒温差式流量计还是热分布式流量计，目前的生产方式是从热探头获得 与流量相关的电信号，即空气流量与输出电压的原始关系，然后用硬件(运算放大器)调 理或者软件(CPU)计算的办法，将这种原始的电压输出特性转变成流量计所要求的电压 输出特性，如图1所示。在目前的汽车空气流量计生产方法中，对于某一特定型号的流量计，将热探头 输出电压特性曲线转换为流量计输出电压特性曲线，其转换函数是固定的。这种生产模 式带来两个问题1.由于固定的转换函数，当热探头生产中出现结构或参数的细微不一 致，或热探头装配过程中出现的细微不一致，都可能导致热探头输出电压特性曲线的变 化，按照固定的转换函数就必然导致流量计电压输出特性曲线的变化，导致批量生产中 流量计电压输出特性的不一致，降低了产品的精度和合格率；.2要保证固定和精确的函 数变换关系，当使用硬件(运算放大器)来实现时，必然要求匹配电阻的高度稳定和高 精确，因而对于高品质流量计的生产厂家，大量的电阻需要激光调整，提高了生产的成 本。3.不同型号的汽车使用不同型号的流量计，不同型号的流量计要求有不同的输出电
3压关系曲线，这将导致在生产过程中要求设计大量的硬件电路来满足不同型号流量计的 需要，使得生产库存成本增加。上述状况的结果是少数龙头企业依仗其经济实力，采用高起点高成本方式，精 确控制生产过程的每个环节，生产高质量的汽车流量传感器，长期垄断汽车流量计市 场，而大多中小企业由于无法形成足够的批量而使用低成本的热探头，热探头电阻精 度、外形尺寸精度、生产制造工艺，装配精密程度等的微小差异都会对热探头输出电压 特征曲线带来足够大的影响，而固定函数的转换方法，当热探头输出电压特征曲线发生 变化时则无能为力，加上电路元器参数的不一致和分散性，这样生产出来的流量计的精 度和一致性是无法保证的，一旦标定发现不符合质量要求的产品，就只能当次品或废品 处理，因而导致大多中小企业生产的流量计品质底下。在标定校验装置方面，专利公开号CN 1793799A提出了一种简易的T型管 方式的校验装置，空气发生器产生气流，经T型管后分为两个支路，一路接标准流量 计，另一路接被校验流量计，假定气流在两个支路是平均分配的，对比标准流量计和 被检流量计的输出电压，就可得出被检流量计与标准流量计的差异。专利公开号CN 200982882A认为T型管结构中假定气流在两个支路是平均分配这种方法存在误差，提 出了另一个解决方法假定在同一管道中流量是相等的，而在相同流量下流量计的输出 电压应该是相同的，提出标准流量计与被检流量计串联的结构，并使用了基于计算机数 据采集的技术。专利公开号CN101435715A也认为T型管结构存在精度，重复性等很 多问题。同时认为即使串联结构也不能保证精度，即使在一根管道中，流量计安置位置 的不同，由于各种影响因素的作用也会产生误差，也即同一流量计在相同流量下安装于 管道的不同位置，其输出电压可能因为各种影响因素而不同。根据这种思路，专利公开 号CN101435715A提出在标定前，在标准流量计接口和被检流量计接口上均插入标准流 量计，其中安置在被检流量计接口上的标准流量计用来测量接口位置的误差，并将这种 误差存储在计算机中，在正式标定中用来补偿位置误差；并进一步提出在同一根管道上 设计多个被检流量计接口，以提高标定的效率。该方法无法验证标准流量计本身的一致 性，这种方法假定标准流量计是一致标准的，若在相同流量下，标准流量计的输出电压 存在差异，那么就认为这种差异是管道位置等因素引起的差异，这种思路存在将标准流 量计的误差传递到校验装置的风险，在极端情况下可能反而加大标定的误差。通常这些 专利技术所使用的标准流量计，并不具有计量传递标准的流量计，而是一些优质品牌的 普通汽车空气流量计，因而在这种条件下，这些装置最多也只能校验比优质品牌的流量 计低一个精度等级的汽车空气流量计。上述校验装置都存在着如下的共同的问题1.流量标准问题，是否能够提供一 个连续发生并具有确定精度的流量是这个问题的关键，使用汽车空气流量计来校验汽车 空气流量计，这似乎不符合计量传递的规则，要么是我们首先承认自己的流量计比竞争 对手的流量计低一个精度等级。2.上述装置仅仅是校验手段，通过校验过程检验生产出 的汽车空气流量计是否具有与高质量汽车空气流量计相同的电压输出特性，如前所述， 汽车空气流量计中热探头的阻值，几何尺寸，流量计装配过程等一系列因素都将影响热 探头的电压输出特性，在大规模生产中很难保证其一致性，按照固定转换函数的处理方 法，必然导致流量计的输出电压特征的不一致，这一问题始终没有解决。特别是在使用品质较差的热探头时，这个问题更加严重。 发明内容本实用新型的目的是提供一种汽车空气质量流量计的校准装置，通过计算机与 每个流量计进行通讯，根据实际测量热探头的原始流量与输出电压的关系，通过在生产 过程中精确改变转换函数的方式，生产最终产品高度一致的汽车空气流量计。换句话 说，即使热探头的原始流量与输出电压的关系不一致，通过本发明的方法，也可以生产 出高度一致的最终产品，从而大大降低了生产过程中对探头的工艺要求和对整个生产工 艺的苛刻要求，大幅度降低成本。同时解决了前述高端企业在生产汽车空气流量计的过 程中存在的三个问题。。在流量标准问题上，本发明使用标准皮托管作为流量测量的标准元件，其精度 由中国皮托管校验的最高计量机构(国家气象局)传递。而本发明的核心，与目前已存在 的流量标定装置，或流量检定装置，或流量校验装置等的不同之处在于通过装置来检 测出被检流量计输出与理想流量计输出的差异，并在不改变流量计硬件(包括结构、封 装和元器件参数)的条件下，通过改变被校准流量计的软件算法来改变流量计的电压输 出特征曲线，使之与理想流量计的电压输出特征曲线一致。装置中的计算机通过测量获 得被校准流量计热探头的流量/输出电压原始特征曲线，并根据理想的流量/电压输出特 征曲线，形成将原始曲线转化为理想曲线的算法，计算机将这种算法传递到被校准流量 计的非易失存储空间中，从而让被校准流量计输出理想的流量/输出电压特征关系。理 论上讲，使用本发明所生产的汽车空气流量计的精度接近标定装置的精度。本发明所述 的装置是基于大规模生产应用的，设计有两根或多根可轮换工作的校准管段，每根校准 管段上设计有多个被校准流量计接口，因此本发明产生了一种完全不同于目前的全新的 汽车流量计生产方法。所述汽车空气质量流量计的校准装置，其特征是该装置有两根或两根以上设 有阀门的校准管道，所有校准管道并联后与测量管道串联，每根校准管道上安装有2个 或2个以上的被校准流量计插孔，测量管道上安装有测量传感器、参比流量计接口，计 算机通过控制接口与阀门的控制线连接，通过数据采集接口与测量管道的传感器和参比 流量计的信号输出线连接，通过通讯接口与每个被校准流量计的信号输出接口连接。所述测量管道上安装有标准空气质量流量测量装置SM，计算机通过数据采集接 口与标准空气质量流量测量装置SM的信号输出线连接。所述测量管道上安装有测量传感器接口、参比流量计接口，计算机通过数据采 集接口与测量管道的传感器和参比流量计的信号输出线连接。所述测量管道上安装有加热装置和制冷装置，计算机通过控制接口与加热装置 和制冷装置的控制线连接。所述校准管道的两侧带有阀门，每一个阀门有控制线与计算机相连。多根校准 管道轮流进入校准工作状态，以轮换拆除校准完毕的流量计或安装待校准的流量计。计 算机通过启动制冷或控制加热器的功率输出调节管道内流动空气的温度。所述校准管道的一端设有风机，所述校准管道、测量管道与风机连接形成闭合 循环管道。在需要改变温度的情况下，循环方式可以明显降低能耗。
5[0018]所述风机由变频调速器控制，计算机通过控制线与变频调速器连接。可以实现 风机的连续无极变速运转，产生管道所需要的任一风量电压曲线上的风量值。作为特例，每根校准管道上可以设有8个或16个被校准流量计插孔。本实用新型是在不改变流量计硬件(包括元器件参数)的条件下，可以改变被校 准流量计的电压输出特征曲线，使之与理想流量计的电压输出特征曲线一致。装置中的 控制计算机通过测量被校准流量计热探头的流量/输出电压原始特征曲线，并根据理想 的流量/电压输出特征曲线，产生将原始曲线转化为理想曲线的算法，并将这种算法传 递到被校准流量计的非易失存储空间中，从而让被校准流量计实现理想的流量/输出电 压特征关系。本发明所述的装置是基于大规模生产应用的，因此本发明改变了传统的汽 车空气流量计的生产方法，产生了一种完全不同于传统的新生产方法。本实用新型可同时校准8只或更多汽车空气流量计；对汽车空气流量计的校准 可以按照标准空气质量流量来进行电压输出特性的校准，也可以根据参比流量计的输出 电压特性进行参比校准。在不改变流量计硬件(包括元器件参数)的条件下，可以改变 被校准流量计的电压输出特征曲线，使之与理想流量计的电压输出特征曲线一致。本发 明所述的装置是基于大规模生产应用的，因此本发明改变了传统的汽车空气流量计的生 产方法，产生了一种完全不同于传统的新生产方法。使生产出的每一个流量计具有很高 的精确度，并且自动适应各自的传感器测量差异，即不因传感器探头的差异而影响输出 信号的精确度；统一了不同型号流量计的设计和生产，大幅降低流量计的生产和库存成 本。

图1是流量计热探头和流量计的输出电压特性示意图，图2是本实用新型标定校准系统硬件装置的示意图。图中1-热探头输出电压特性曲线，2-流量计输出电压特性曲线，3-计算机， 4-控制接口，5-校准管道A，6-通信接口，7-校准管道B，8-数据采集接口，9-校准管 道A阀门，10-被校准流量计插孔，11-校准管道B阀门，12-测量管道，13-参比流量 计接口，14-标准空气质量流量测量装置SM，15-加热装置，16-制冷装置，17-风机， 18-变频调速器。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明如图2中所示汽车空气质量 流量计的校准装置，该装置由计算机3控制，设置有校准管道5、7，校准管道5、7的一 端装有风机17，校准管道5、7上有多个被校准流量计插孔10，每个被校准流量计插孔10 设有被校准流量计插座，计算机3设置有通过流量计标准接口上的电压信号引脚向流量 计读或写数据的引线，该引线将计算机接口引脚与被校准流量计插座上标准接口的电压 信号引脚连接。在如图2所示的实施例中，该装置有两根设有阀门9、11的校准管道5、7，所有 校准管道5、7并联后与测量管道12串联。所述测量管道12上安装有标准空气质量流量测量装置SM14，计算机通过数据采集接口与标准空气质量流量测量装置SM14的信号输出线连接。所述测量管道12上安装有测量传感器接口、参比流量计接口 13，计算机3通过 数据采集接口与测量管道12的传感器和参比流量计的信号输出线连接。所述测量管道12上安装有加热装置15和制冷装置16，计算机3通过控制接口与 加热装置15和制冷装置16的控制线连接。所述校准管道5、7的两侧带有阀门9、11，每一个阀门9、11有控制线与计算 机3相连。在计算机3需要轮换校准管道时，通过打开校准管道两端的阀门使该段校准 管道进入工作状态所述校准管道的一端设有风机17，所述校准管道5、7、测量管道12与风机17 连接形成闭合循环管道。所述风机17由变频调速器18控制，计算机3通过控制线与变频调速器18连接。 可以实现风机的连续无极变速运转，产生管道所需要的任一风量电压曲线上的风量值。作为特例，每根校准管道5、7上设有8个或16个被校准流量计10插孔。如图2所示，作为一种典型实施例，本实用新型涉及的校准系统硬件装置包括 两个可以多于两个校准管道A5和校准管道B7，每根校准管道的两端安装有电动阀门9、 11，以切换校准管道，两根校准管道并联连接。当A管段处于工作状态执行校准过程 时，B管道两端的阀门关闭，操作人员可以在B管道上更换的被校准流量计，反之亦然， 以提高校准装置的效率。所述每个校准管道上设有η个被校准流量计接口，校准管道A 上设计有Al，Α2，A3……An等多个校准流量计接口，校准管道B上设计有Bi，Β2， Β3……Bn等多个校准流量计接口。装置包含一根测量管道，测量管段上安装标准气体质 量流量测量装置SM、参比流量计SF、加热器和制冷器，测量管段与校准管段串联。使 用风机作为气体发生器，使用变频调速器调节风机的转速，发生大小连续可调的流量， 气流路径设计成灵活的方式，可以由测量管段让大气进入，也可以构成循环方式，如图2 中的虚线部分，风机的出口连接测量管段，在需要改变温度的情况下，循环方式可以明 显降低能耗。根据生产批量要求，可以增加校准管道的数量，也可以增加校准管道上设 置的被校准流量计接口的数量，以提高校准装置的效率。计算机通过控制接口来控制电 动阀门，如图中的VA1，VA2，VBl和VB2的开关，以选择工作的校准管道。计算机 控制风机转速以获得任意需要的流量；计算机通过启动制冷或控制加热器的功率输出调 节管道内流动空气的温度；计算机采集SM中的管道气体温度、管道气体湿度、大气压 力、管道气体表压和皮托管差压，以精确计算出管道中标准状态下的空气质量流量。计 算机通过数据采集检测参比流量计的输出电压以得到参比流量计的输出电压特征曲线； 计算机通过通讯接口读取每个流量计中热探头电压，以得到每个被校准流量计热探头的 输出电压特性曲线和温度漂移特性，并通过计算产生对应的计算函数和算法，并将这种 函数和算法传输到对应被校准流量计中的非易失存储器。计算机通过数据采集读取被校 准流量计的输出电压以检验被校准流量计校准后的实际结果。本发明实施例涉及的校准流程包括两方式，即标准校准方式和参比校准方式。 两种方式都是将图1中所示的热探头输出电压特性曲线1经过校准输出标准的流量计输出 电压特性曲线2，但是两种方式的校准参照不同。1.标准校准方式[0037]所述标准校准方式，是指以标准气体质量流量测量装置SM所测量的流量量值为 依据而进行的校准方式。在已知流量计电压输出特征曲线的条件下，可以使用标准校准方式来校准汽车 空气流量计，流量计电压输出特征曲线，可以根据不同流量下流量计对应理论输出电压 的离散点获得，也可以是具体的输出电压(Volt)随流量(kf/h)变化的计算表达式。设定9-11个流量校准点，包括零流量和最大流量，选择A管道为工作管道，将 被校准流量计分别插入被校准流量计接口 Al，A2，A3，An上；计算机控制风机转速从 零流量开始，逐步运行到每个校准点流量，计算机记录每个校准流量下流量计热探头的 输出电压，同时计算该流量下流量计的理论输出电压，由此形成一系列对应数据组，依 据这一系列对应数据组，计算出每只被校准流量计的二次样条插值计算函数模型，再将 该模型的参数传输到对应流量计的非易失存储空间，完成校准后，流量计采集热探头电 压数据，再根据非易失存储空间给定的计算方法计算输出电压，通过D/A转换将计算值 变为实际电压输出值输出，被校准的流量计在理论上具有与校准装置接近的精度。上述校准过程计算机自动完成，在此期间，操作人员在非工作管道上进行被校 准流量计的安装和拆卸工作，两根校准管段循环工作，以提高装置的效率。如果流量计需要进行温度补偿，用同样的方法，控制校准装置的气流温度，可 以对温度进行补偿校准。2.参比校准方式所述参比校准，是指校准前并不知道流量计所要求的输出电压特征曲线，但具 有一定数量的汽车空气流量计样品，需要按照样品流量计的输出特征曲线进行校准生产。参比校准可以使用两种方法完成1)通过该装置测量出参比流量计的输出电压特征曲线。这种方法最好选用多只 参比流量计，测量每只参比流量计的流量_输出电压特征曲线，按照平均法计算参比流 量计的输出电压特征曲线，以避免单只参比流量计的误差风险。之后按照标准校准方式进行校准。2)直接按照参比流量计的输出电压特征曲线进行校准。设定9-11个流量校准点，包括零流量和最大流量，选择A管道为工作管道，将 被校准流量计分别插入被校准流量计接口 Al，A2，A3，An上；计算机控制风机转速从 零流量开始，逐步运行到每个校准点流量，计算机记录每个校准流量下流量计热探头的 输出电压，同时测量参比流量计的输出电压，由此形成一系列对应数据组，依据这一系 列对应数据组，计算出每只被校准流量计的二次样条插值计算函数模型，再将该模型的 参数传输到对应流量计的非易失存储空间，完成校准后，流量计采集热探头电压数据， 再根据非易失存储空间给定的计算方法计算输出电压，通过D/A转换将计算值变为实际 电压输出值输出，被校准的流量计在理论上具有与校准装置接近的精度。
权利要求1.一种汽车空气质量流量计的校准装置，其特征是该装置有两根或两根以上设有 阀门(9、11)的校准管道(5、7)，所有校准管道(5、7)并联后与测量管道(12)串联，每 根校准管道(5、7)上安装有2个或2个以上的被校准流量计(10)插孔，测量管道(12) 上安装有测量传感器、参比流量计接口(13)，计算机(3)通过控制接口与阀门(9、11)的 控制线连接，通过数据采集接口与测量管道(12)的传感器和参比流量计的信号输出线连 接，通过通讯接口与每个被校准流量计的信号输出接口连接。
2.根据权利要求1所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征是所述测量管 道(12)上安装有标准空气质量流量测量装置SM (14)，计算机通过数据采集接口与标准 空气质量流量测量装置SM(14)的信号输出线连接。
3.根据权利要求1或2所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征是所述测量 管道(12)上安装有加热装置(15)和制冷装置(16)，计算机(3)通过控制接口与加热装置 (15)和制冷装置(16)的控制线连接。
4.根据权利要求1所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征是所述校准管 道(5、7)的两侧带有阀门(9、11)，每一个阀门(9、11)有控制线与计算机(3)相连。
5.根据权利要求1所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征是所述校准管 道(5、7)的一端设有变频调速器(18)控制的风机(17)，计算机(3)通过控制线与变频调 速器(18)的控制端连接。
6.根据权利要求1、4、5之任一所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征是 所述校准管道(5、7)、风机(17)与测量管道(12)首尾连接形成闭合循环管道。
7.根据权利要求1或4或5所述的汽车空气质量流量计的校准装置，其特征是每根 校准管道(5、7)上设有8个或16个被校准流量计(10)插孔。
专利摘要一种汽车空气质量流量计的校准装置，其特征是该装置有两根或两根以上设有阀门的校准管道，一根测量管道，每根校准管道上安装有8个或8个以上的被校准流量计插孔，测量管道上安装有测量传感器、参比流量计接口，计算机通过控制接口与阀门、变频调速器的控制线连接，通过数据采集接口与测量管道的传感器和参比流量计的信号输出线连接，通过通讯接口与每个被校准流量计的信号输出接口连接。该装置可同时校准8只或更多汽车空气流量计；对汽车空气流量计的校准可以按照标准空气质量流量来进行电压输出特性的校准，也可以根据参比流量计的输出电压特性进行参比校准。
文档编号G01F25/00GK201795843SQ20092008726
公开日2011年4月13日 申请日期2009年7月10日 优先权日2009年7月10日
发明者修婉靖, 柳青, 王红玲 申请人:武汉华瑞同创科技有限公司