流量检测原理

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卡曼涡旋式空气流量传感器的检测原理

卡曼涡旋式空气流量传感器是空气流量传感器中的一种，可以扩展测量范围，被广泛的应用于汽车，燃气、煤气等领域。

在产生卡曼涡旋处的两侧，相对地设置了属于电子检测装置的超声波发送器和超声波接受器，也可以把这两个部件归入空气流量传感器，这两个电子传感器产生的电信号经空气流量传感器的控制电路整形、放大后成理想波形，再输入到微机中。为了利用超声波检查涡旋，在涡旋通道的内壁上都粘有吸音材料，目的是防止超声波出现不规则反射。

卡曼涡旋式空气流量传感器的优缺点分析，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，有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。其优点介绍如下：

测试精度高，可以输出线形信号，信号处理简单;长期使用，性能不会发生变化;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。

随着科学技术的发展，我们不断引进先进技术，卡曼涡旋式空气流量传感器的测试精度高，可以输出线形信号，信号处理简单。

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§3.2流量的测量

3.2.1堰测法

当涌水量小于10L/s时，用三角堰；大于10L/s时，采用梯形堰或矩形堰测量（见图3-1）。测得堰口高度(h)及堰口宽度b (单位为cm)，分别用下列公式计算：

（1）三角堰：

Q=0.014h5/2

（2）梯形堰：

Q=0.0186bh3/2

（3）矩形堰：

Q =0.018bh3/2

b90hohhb

a. 三角堰 b. 梯形堰 c. 矩形堰

图3-1 测量堰

为了工作方便，以上几种堰都有专门换算表。测量时按下列要求去做：

（1） 在离泉出口处不少于l~2 m的距离上进行测量；

（2） 当流量与流速很大时，让水流出一定距离进行测量；

（3） 堰板要放直(不要有前后、左右的歪扭)；

（4） 水头高度标尺的零点和堰槛位于同一高度上，若用直尺或三角板测量水头高度，应将测尺的平面与水流方向平行。

思考题：如不按上述要点要求做，会出现什么问题?

3.2.2容量法

用水桶或其它容器，按时计量测出流量，常用于流量较小的泉或民井抽水。

3.2.3断面法

选择水流平稳的渠段，测定水深、流速，进而可求得流量。

1引言

近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的首选工具。

2超声波流量计的测量原理

超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。

2.1时差法测量原理

时差法测量流体流量的原理如图1所示。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。

图1超声波流量计测流原理图

设静止流体中声速为c，流体流动速度为v，把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成θ角，换能器的距离为L。从P1到P2顺流发射时，声波传播时间t1为：

从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间t2为：

一般c>>v，则时差为：

单声道测试系统只适用于小型渠道水位和流速变化不大的场合。大型渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化也较大，须采用多声道超声波测流才能获得准确的流量值，见图2。应用公式(5)、(6)可测得流量Q。

以上各式中：d为垂直于水流方向上两换能器之间水平投影的距离，为声道数，S为两声道之间的过水断面面积。

图2多声道超声波流量计测流原理图

2.2多普勒法测量原理

多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量，如图3。

空气流量传感器工作原理及其检测　

空气流量传感器又称为空气流　量计（ＭＡＦ），在大众车系电控燃油喷　射系统里其代号为Ｇ７０。空气流量传　感器的作用是对进入气缸的空气量　进行直接计量，把空气流量的信息转　变为电信号输送给发动机电子控制　单元（ＥＣＵ），用于计算所有与转速和　负荷有关的功能，如喷射时间、点火　时刻等。　空气流量计用在Ｌ型电控燃油喷　射发动机进气系统中，安装在空气滤　清器与节气门体之间，如图１所示。　在Ｌ型电控汽油喷射发动机的发　展历程中，Ｌ型电控汽油喷射发动机　曾使用过叶片式（又称为翼片式）、卡　门旋涡式、热线式和热膜式等多种形　式的空气流量计。翼片式、卡门旋涡　式空气流量计只能检测空气的体积　流量，还需要对进气温度及大气压力　进行修正，已逐渐被淘汰。　当今在Ｌ型电控汽油喷射发动机　中应用较多的空气流量计是热线式　和热膜式空气流量计，热线式、热膜　式空气流量计可以直接检测空气的　质量流量，且测量精度高。大众桑塔　纳２０００ＧＳｉ型轿车ＡＪＲ型发动机采用　了热膜式空气流量计。　一、热线式空气流量计　根据热线的安装位置不同，热线　式空气流量计有主流测量式和旁通　测量式２种，分别如图２、图３所示。　１．热线式空气流量计的构造　主流测量式热线式空气流量计　应用较广，主要由感知空气流量的铂　金属热丝电阻（热丝）Ｒ　根据进气温　度进行修正的温度补偿电阻Ｒ　（冷　丝）、控制热线电流并产生输出信号　赵宝平　的控制电路板、取样管、壳体等组成。　取样管置于主空气通道中，两端　有金属防护网，用以防止脏物进入。　取样管由２个塑料护套和１个热线支　承环构成，１根直径约为０．０７ｍｍ的铂　金属热丝电阻作为发热元件布置在　热线支承环内。传感器工作时，铂金　属热丝电阻被控制电路提供的电流　加热到高于进气温度１００℃，故它又　称为热线电阻或热丝，其电阻值随温　度变化，是惠斯顿电桥的１个臂。　热线支承环前端的塑　料护套内安装１个薄膜电　阻，其电阻值随进气温度　变化，它由于靠近进气口　一侧，所以称为冷丝或温　度补偿电阻，该温度补偿　电阻相当于１个温度传感　器，起到温度参考基准的　作用，它是惠斯顿电桥的　另一个臂。　热线支承环后端的塑　料护套上黏结着１只精密　电阻Ｒ　，它也是惠斯顿电　桥的１个臂，该电阻上的电　压降即为热线式空气流量　计的输出信号。惠斯顿电　桥还有１个臂的电阻，它安　装在控制电路板上。控制　电路板安装在热线式空气　流量计的下方，通过接线　插座将空气流量计的信号　传给发动机电子控制单元　（ＥＣＵ）。　２．热线式空气流量计　的工作原理　热线式空气流量计是　利用空气流过热丝时的冷却效应制　成的，其工作原理如图４所示。　铂金属热丝和其它几个电阻组　成惠斯顿电桥。在传感器工作时，热　丝被控制电路提供的电流加热到高　于冷丝温度ｌ００℃，此时惠斯顿电桥　处于平衡状态。进气时气流带走了　热丝上的热量使热丝变冷，热丝电阻　值随即也降低，桥形电路平衡被破　坏；控制电路加大通过热丝的电流使　热丝升温以恢复其原有的电阻值，使