专利名称：汽车节气门体进气量测试系统和测试方法
技术领域：
本发明涉及汽车进气系统中节气门体在不同工况下进气量的台架测试系统和测试方法，特别是模拟汽车怠速时旁通道不同开度情况下的节气门体进气量的测试系统和测试方法。
背景技术：
目前大多数节气门体生产厂家对节气门体进气量的进行台架测试时主要采用音速喷嘴测量气体流量的方法。虽然这种方法具有精度高，重复性好等优点，但是结构复杂，而且在测量怠速通道全闭的漏气量(0.5g/s左右)时，需要用到临界条件下流量小于0.1g/s的喷嘴，因为这种喷嘴工艺要求高，价格昂贵，国内很少有生产的厂家。所以对于一般的汽车整车制造厂或其他需要对节气门体进气量进行检测的非节气门体生产厂家而言，使用这种方法既不经济又不方便。
发明内容本发明的主要目的就是为了解决现有技术的问题，提供一种汽车节气门体进气量测试系统和测试方法，测试部件可以很方便地得到，而且综合成本比较低。
为实现上述目的，本发明提出的一种汽车节气门体进气量测试系统，包括真空源，包括用于与节气门体的出气口相连通的气体导流腔，所述真空源为节气门体的出气口提供真空环境；压力传感器，设置在气体导流腔内，用于测量气体导流腔内的真空度；热式气体流量计，设置在气体导流腔内，用于测试气体导流腔内气体的标准状况下的流速；控制单元，响应压力传感器输出的真空度信号，根据该真空度和设定真空度控制真空源抽气，且用于当气体导流腔内的真空度稳定在设定真空度误差范围之内时采集热式气体流量计输出的流速信号，并根据气体导流腔内的气流截面积转换成气体质量流量。
本发明的进一步改进是还包括可对模拟信号进行放大和滤波处理的调理电路，所述调理电路提供真空源、压力传感器和热式气体流量计到控制单元的通路。
还包括连接在调理电路和控制电路之间的模数/数模转换电路。
所述气体导流腔包括相连通的直管状稳流管和真空罐。
本发明的更进一步改进是所述气体导流腔还包括连接在稳流管和真空罐之间的至少一个缓冲罐。
所述真空源还包括真空泵、变频电机和变频器，所述变频器响应控制单元的信号，控制变频电机转动，所述变频电机带动真空泵转动，所述真空泵用于对真空罐抽气。
所述控制单元还用于与控制节气门体旁通道开度的旁通道步进电机相连。
为实现上述目的，本发明提出的一种汽车节气门体进气量测试方法，包括以下步骤A1、控制单元控制真空源抽气；B1、控制单元响应压力传感器感知的与节气门体出气口相连通的气体导流腔内的真空度信号，并与设定真空度比较，当气体导流腔内的真空度稳定在设定真空度误差范围之内时执行步骤C1；C1，控制单元采集热式气体流量计输出的气体导流腔内的气体标准状况下的流速信号；D1、控制单元根据气体导流腔内的气流截面积，将气体标准状况下的流速信号转换成气体质量流量。
所述步骤A1中控制单元对真空源的控制包括以下步骤A11、控制单元响应压力传感器输出的气体导流腔内的真空度信号，将气体导流腔内的实际真空度和设定真空度比较，当实际真空度达到设定真空度误差范围的下限时执行步骤A12；A12、将气体导流腔内的实际真空度和设定真空度按照P工D算法计算出的控制值；A13、将该控制值结合真空源的具体参数控制真空源的变频电机的转速；A14、变频电机控制真空泵的抽气量。
本发明的进一步改进是还包括以下步骤控制单元控制旁通道步进电机转动，设置相应的旁通道开度，然后执行步骤A1到D1。
利用真空源使节气门体出于模拟的工况环境下，利用热式气体流量计测出气体导流腔内的气体标准状况下的流速信号，再根据实际情况下的气体流过的截面积，把这个信号转化为气体质量或体积流量值。本方案与现有技术中采用的音速喷嘴测量气体流量的方法相比具有以下有益效果1)本方案中使用到的器件都是通用的器件，方便购买。2)可直接测量气体质量流量，测试结构简单，误差源较少，方便校准。3)综合成本低。对于一般的汽车制造厂，真空源(真空泵，真空罐等)都是常用的测试设备，除了测量节气门体进气量以外，类似进气温度压力传感器这些汽车部件检测都需要用到真空源，因此有条件的厂家可以几套设备共用一套真空源，分摊一部分成本。本发明需要使用一只高精度的热式流量计，虽然这种流量计的价格目前还比较昂贵，一般都在一万元以上，但是比起多个音速喷嘴的使用及维护成本以及考虑到安装的便利性，用这种方法都更有优势。而且对于一般的汽车制造厂，如果要测试汽车尾气等气体的质量流量，热式流量计都是非常必要的，所以热式流量计也可以和其他测试工序合用一个，分担成本。4)通过控制单元控制，测试自动化程度较高，易于操作，可自动测试不同旁通道开度下的节气门体的气体质量流量。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
图1是本发明的一种实施例的结构示意图；图2是本发明的一种实施例的流程图。
具体实施方式具体实施例一、如图1所示，本测试系统包括真空源、压力传感器、热式气体流量计，还包括顺序相连的调理电路、模数/数模转换电路和控制单元，真空源包括气体导流腔、真空泵、变频电机和变频器。气体导流腔与节气门体的出气口相连通，变频器与调理电路电连接，响应控制单元的控制信号，变频器控制变频电机转动，变频电机带动真空泵转动，真空泵对气体导流腔抽气。调理电路的作用是将通过的模拟信号进行放大、滤波。压力传感器和热式气体流量计也分别和调理电路电连接。压力传感器设置在气体导流腔内，用于测量气体导流腔内的真空度。热式气体流量计也设置在气体导流腔内，用于测试气体导流腔内气体的标准状况下的流速。
气体导流腔可以进一步包括稳流管和真空罐，真空罐通过稳流管与节气门体的出气口相连通，真空泵对真空罐抽气，为节气门体的出气口提供真空环境，模拟工况。稳流管优选直管状的稳流管，以稳定节气门出气口流出的气流，压力传感器和热式气体流量计均放置在稳流管内。
本实施例的工作原理是热式气体流量计是一种可测气体质量流量的传感器，它的优势在于对于不同外界环境或条件(如不同压力温度等)的气体流量可以用一个相同的标准来衡量，因为它把测得的气体流量都直接换算为标准状况下的流速信号输出了，本实施例只需要根据实际情况(气体流过的截面积，即气流截面积)把这个流速信号转化为气体质量或体积流量值，不需要我们再做温度压力等方面的补偿换算工作。测量节气门体进气量的时候需要模拟汽车上的实际工况，通常节气门体工作时进出气口两边的压差在60kpa左右，所以在台架上测量节气门体进气量时也需要满足这个要求，因此如果节气门体进气口这边的压力为一个大气压，出气口这边就要有一个60kpa左右的真空度。通常为了稳定气流节气门出气口这边会接一段稳流管，再将稳流管接到真空罐上，因此真空泵的作用就是将真空罐内的真空度抽到60kpa左右，从而使节气门进出气口的压差达到60kpa，满足测试工况要求。所以在测定之前先要设定真空度和误差值，控制单元根据设定的真空度PS，输出数字控制信号1，数字控制信号1通过模数/数模转换电路转换成模拟控制信号2，模拟控制信号2通过调理电路放大、滤波后输出控制信号3，变频器根据该控制信号3控制变频电机转动速率，变频电机带动真空泵转动，通过改变真空泵的转速来改变真空泵的抽气量大小，从而控制着真空罐和稳流管中的真空度。在开始测试时，控制单元先控制真空泵以最大速率抽气，使真空罐内实际真空度PR尽快达到设定真空度的下限PS-X。压力传感器将感知的实际真空度信号4通过调理电路放大滤波、模数/数模转换电路转换成数字信号后输出到控制单元，控制单元将该实际真空度PR与设定真空度PS比较，当实际真空度PR达到设定真空度的下限PS-X时，之后在(PS-X，PS+Y)的范围内用PID算法调节真空度PR，使其尽量稳定在设定真空度PS的左右(上下不超过误差范围)，如PR超过PS+Y之后，给真空泵一个预设最小值进行抽气，使其尽快进入PID的调节范围(PS-X，PS+Y)。如此反复，直到真空度稳定在预设范围之内。X、Y的大小根据实际情况设定，例如均可以设为1kpa。
PID控制是一种线性控制算法，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)＝r(t)-c(t)，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制。其控制规律为u(t)＝Kp*e(t)+(1/Ti)∫e(t)dt+Td*de(t)/dt式中Kp为比例系数，与静差e(t)有关，比例系数越大，静差越小，但是比例系数大了，又容易引起振荡，所以它的取值应视实际情况而定。Ti为积分时间常数，积分环节的引入是为了防止振荡，减小超调量，积分时间常数Ti要根据这方面考虑来确定。Td为微分时间常数，微分环节的作用是根据偏差的变化趋势，提前给出调节动作，减少滞后，所以微分时间常数要根据这方面考虑来确定。
PID各校正环节的作用如下1.比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
2.积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
3.微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
由上述内容可知，变频电机的转速控制信号最终是由当前实际真空度PR与设定真空度PS的差值e(t)代入PID算法中进行换算，再结合真空源的实际情况(如具体需要达到的真空度，变频电机的功率，真空罐、缓冲罐的容量)等综合因素所决定的，而这些参数都需要在实际的调试过程中多次尝试才能最终确定。
当稳流管内的真空度稳定在设定真空度PS误差范围(PS-X，PS+Y)之内时，控制单元采集热式气体流量计输出的流速信号5，该流速信号5可以是电流信号，也可以是电压信号，该流速信号5通过调理电路放大滤波、模数/数模转换电路转换成数字信号后输出到控制单元，控制单元将流速信号根据稳流管内的气流截面积转换成气体质量流量，此处的气流截面积就是稳流管的管道的截面积。还可以进一步包括显示器和存储器，控制单元将气体质量流量值通过显示器显示并保存在存储器中。以后还可以通过控制单元将气体质量流量值从存储器中调出。模数/数模转换电路、控制单元、显示器和存储器可以集成在计算机内。
在测试时，对热式气体流量计的精度有一定的要求，精度的选择与量程有关，所以需要根据被测气体的流量范围选择流量计的量程，比如要测的气体流量最大不超过15g/s，在选择量程的时候就要结合气流截面积换算成相应的流速值，然后在选择流量计的时候就要使流量计的最大测量值尽量接近这个最大流速值(但一定比这个值大)。
本实施例的工作流程如图2所示，包括以下步骤1)开始测试时，控制单元接收测试者在显示界面输入的设定真空度PS并记录；2)控制单元控制旁通道步进电机转动，将旁通道按设定的开度打开；3)控制真空泵开始工作，对真空罐进行抽真空；4)控制单元采集压力传感器输出的稳流管内的实际真空度PR，并与设定真空度PS比较，当实际真空度PR达到PS-X时，执行步骤5)，X为设定真空度的下限误差；5)将实际真空度PR和设定真空度PS按照PID算法控制变频电机转速使实际真空度PR位于(PS-X，PS+Y)范围内；6)判断实际真空度PR是否位于(PS-X，PS+Y)范围内，如果是则执行步骤7)，如果不是则返回执行步骤5)7)控制单元采集热式气体流量计输出的稳流管内的气体标准状况下的流速信号；8)根据气流截面积，将气体标准状况下的流速信号转换为气体质量流量值，并且还可以进一步剔除异常值和将结果显示在显示器上和存储；9)当需要测试下一个旁通道开度的节气门体的气体质量流量时，再重复步骤2)到8)；如果不需要测试，即可关掉真空源，退出测试系统，所有采集的有用数据在完成测试后自动保存到指定文件夹中。
具体实施例二、与实施例一不同的是，对于真空度调节很难稳定实际真空度在设定真空度左右、波动较大的情况，可考虑在气体导流腔内增加缓冲罐，在真空罐和稳流管之间连接缓冲罐，缓冲罐有利于使气体导流腔内的真空度稳定在设定真空度的误差范围之内，缓冲罐可以是一个，也可以是一个接一个串联的多个，直到稳流管内的真空度能够稳定在设定真空度的误差范围之内。
本发明除了可用于测试汽车节气门体旁通道不同开度的气体质量流量，同理也可测试主通道不同开度的气体质量流量。除了对节气门体进气量进行检测外，本发明还可以对节气门位置传感器(TPS)输出信号等其他节气门体的特性进行测试。
权利要求
1.一种汽车节气门体进气量测试系统，其特征在于包括真空源，包括用于与节气门体的出气口相连通的气体导流腔，所述真空源为节气门体的出气口提供真空环境；压力传感器，设置在气体导流腔内，用于测量气体导流腔内的真空度；热式气体流量计，设置在气体导流腔内，用于测试气体导流腔内气体的标准状况下的流速；控制单元，响应压力传感器输出的真空度信号，根据该真空度和设定真空度控制真空源抽气，且用于当气体导流腔内的真空度稳定在设定真空度误差范围之内时采集热式气体流量计输出的流速信号，并根据气体导流腔内的气流截面积转换成气体质量流量。
2.如权利要求1所述的汽车节气门体进气量测试系统，其特征在于还包括可对模拟信号进行放大和滤波处理的调理电路，所述调理电路提供真空源、压力传感器和热式气体流量计到控制单元的通路。
3.如权利要求2所述的汽车节气门体进气量测试系统，其特征在于还包括连接在调理电路和控制电路之间的模数/数模转换电路。
4.如权利要求1至3中任一项所述的汽车节气门体进气量测试系统，其特征在于所述气体导流腔包括相连通的直管状稳流管和真空罐。
5.如权利要求4所述的汽车节气门体进气量测试系统，其特征在于所述气体导流腔还包括连接在稳流管和真空罐之间的至少一个缓冲罐。
6.如权利要求4所述的汽车节气门体进气量测试系统，其特征在于所述真空源还包括真空泵、变频电机和变频器，所述变频器响应控制单元的信号，控制变频电机转动，所述变频电机带动真空泵转动，所述真空泵用于对真空罐抽气。
7.如权利要求6所述的汽车节气门体进气量测试系统，其特征在于所述控制单元还用于与控制节气门体旁通道开度的旁通道步进电机相连。
8.一种汽车节气门体进气量测试方法，其特征在于包括以下步骤A1、控制单元控制真空源抽气；B1、控制单元响应压力传感器感知的与节气门体出气口相连通的气体导流腔内的真空度信号，并与设定真空度比较，当气体导流腔内的真空度稳定在设定真空度误差范围之内时执行步骤C1；C1、控制单元采集热式气体流量计输出的气体导流腔内的气体标准状况下的流速信号；D1、控制单元根据气体导流腔内的气流截面积，将气体标准状况下的流速信号转换成气体质量流量。
9.如权利要求8所述的汽车节气门体进气量测试方法，其特征在于所述步骤A1中控制单元对真空源的控制包括以下步骤A11、控制单元响应压力传感器输出的气体导流腔内的真空度信号，将气体导流腔内的实际真空度和设定真空度比较，当实际真空度达到设定真空度误差范围的下限时执行步骤A12；A12、将气体导流腔内的实际真空度和设定真空度按照PID算法计算出的控制值；A13、将该控制值结合真空源的具体参数控制真空源的变频电机的转速；A14、变频电机控制真空泵的抽气量。
10.如权利要求8或9所述的汽车节气门体进气量测试方法，其特征在于还包括以下步骤控制单元控制旁通道步进电机转动，设置相应的旁通道开度，然后执行步骤A1到D1。
全文摘要
本发明公开了一种汽车节气门体进气量测试系统和测试方法，包括真空源、压力传感器、热式气体流量计和控制单元，真空源包括用于与节气门体的出气口相连通的气体导流腔，真空源为节气门体的出气口提供真空环境；控制单元控制气体导流腔内的真空度稳定在设定真空度误差范围之内，并采集热式气体流量计输出的流速信号，并根据气体导流腔内的气流截面积转换成气体质量流量。本发明可直接测量气体质量流量，测试结构简单，误差源较少，方便校准，并且综合成本低。
文档编号G01F1/68GK1932453SQ200510021709
公开日2007年3月21日 申请日期2005年9月15日 优先权日2005年9月15日
发明者吴萌 申请人:比亚迪股份有限公司