Давачі новітніх автомобільних електронних систем

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Попередні зауваження

Сучасні електронні системи автоматичного управління (ЕСАУ) різняться технічними об'єктами, у тому числі і автомобільними бортовими пристроями, але мають подібну структуру.

Різні давачі ЕСАУ перетворюють інформацію про значення неелектричних параметрів, що контролюються, в електричний сигнал - напругу, струм, частоту, фазу і т.д. Ці сигнали перетворюються в цифровий код і надходять у мікроконтролер. Мікроконтролер на підставі значень цих сигналів і відповідно до закладеного в нього програмного забезпечення приймає рішення та здійснює керування об'єктом через виконавчі механізми (реле, соленоїди, електродвигуни).

Можливість вдосконалення автомобільних електронних систем у багато чому залежить від наявності надійних, точних і недорогих давачів.

У 60-х роках автомобілі були обладнані давачами тиску масла, рівня палива, температури, охолоджувальної рідини. Їх виходи були підключені до стрілочних або лампових індикаторів на панелі приладів.

У 70-х роках автомобільні компанії почали боротися за зменшення кількості токсичних викидів з глушника автомобіля - знадобилися додаткові давачі для керування силовою установкою, які необхідні для забезпечення нормальної роботи електронного запалювання, системи впорскування палива, трьохкомпонентного нейтралізатора, для точного завдання співвідношення повітря / паливо в робочій суміші, для мінімізації токсичності вихлопних газів.

У 80-х роках почали приділяти більше уваги безпеці водія і пасажирів - з'явилися антиблокувальна система гальмування (ABS) і повітряні подушки безпеки.

У силовому агрегаті (ДВЗ) давачі використовуються для вимірювання температури та тиску більшості текучих середовищ (температура всмоктуваного повітря, абсолютний тиск у впускному колекторі, тиск масла, температура охолоджувальної рідини, тиск палива в системі впорскування).

Майже до всіх рухомих частин автомобіля підключені давачі швидкості або положення (швидкість автомобіля, положення дросельної заслінки, положення колінчастого вала, положення розподільного вала, положення і швидкість обертання вала в коробці перемикання передач, положення клапана рециркуляції вихлопних газів).

Інші давачі визначають рівень детонації, навантаження двигуна, пропуски займання, вміст кисню у вихлопних газах.

У системі управління кліматом (клімат-контроль) використовуються різні давачі в кондиціонері для визначення тиску і температури холодоагента, температури повітря в салоні і за бортом.

Є давачі, які визначають положення сидінь.

Після появи антиблокувальної системи гальмування та активної підвіски знадобилися давачі для визначення швидкості обертання коліс, висоти кузова по відношенню до шасі, тиску в шинах.

Давачі удару і акселерометри потрібні для правильного функціонування фронтальних та бічних повітряних мішків безпеки. Для переднього пасажирського сидіння, за допомогою давачів, визначають наявність пасажира, його вагу. Ця інформація використовується для оптимального надуву мішка безпеки на передньому сидінні. Інші давачі використовуються для бічних і стельових повітряних мішків безпеки, а також спеціальних повітряних мішків для захисту шиї і голови.

На сучасних автомобілях антиблокувальні системи гальмування заміняють більш складними та ефективними системами управління стабільністю руху автомобіля. Виникає необхідність у нових давачах. Розробляються та вже існують давачі швидкості обертання автомобіля навколо вертикальної осі, давачі для попередження зіткнень (наприклад радарні), давачі для визначення близькості інших автомобілів, давачі положення рульового колеса, бічного прискорення, швидкості обертання кожного колеса, крутного моменту на валу двигуна і т.д. Керування гальмівною системою автомобіля стає частиною більш загальної та ефективної системи електронного управління курсовою стійкістю та стабільністю руху.

Зі сказаного ясно, що сьогодні давачі встановлюються практично у всіх системах автомобіля.

На рис. 1, показано найбільш раціональне розташування різних давачів на автомобілі.

Давачі автомобільних електронних систем можна класифікувати за трьома ознаками: принципом дії, типом енергетичного перетворення і основним призначенням.

За принципом дії давачі розділяють на електроконтактні, потенціометричні, оптичні, оптоелектронні, електромагнітні, індуктивні, магніторезистивні, магнітострикційні, фото та п'єзоелектричні, давачі на ефектах Холла, Доплера, Кармана, Зебека, Вігопда.

В залежності від енергетичного перетворення (рис. 2.1, б) давачі (Д) бувають активними (поз. 2 на рис. 2.1, б), в яких вихідний електричний сигнал (ЕС) виникає як наслідок вхідного неелектричного впливу (НВ) без застосування сторонньої електричної енергії за рахунок внутрішнього фізичного ефекту (наприклад фотоефекту), і пасивними (поз. 3 на рис. 2.1, б), в яких електричний сигнал (ЕС) є наслідком модуляції зовнішньої електричної енергії (ЗЕ) керуючою неелектричною взаємодією (НВ). Наприклад, потенціометричний давач, показаний па рис. 2.1, б (поз. 5), є пасивним перетворювачем кута повороту осі потенціометра (чутливого елемента (ЧЕ)) в електричний сигнал. Електричний сигнал (ЕС) з'явиться на виході потенціометра тільки після того, як на резистивну доріжку (П) буде подано зовнішню напругу (ЗН). Слід зауважити, що всередині давача, за допомогою чутливого елемента (ЧЕ), завжди має місце внутрішнє перетворення зовнішнього неелектричного впливу (НВ) в проміжний неелектричних сигнал (НС), що показано на рис. 2.1, б (поз. 1). Стосовно до давача кута повороту, кутове положення вісі потенціометра є неелектричним сигналом (НС) на виході чутливого елемента (ЧЕ). Цьому неелектричному сигналу (НС) відповідає вихідний електричний сигнал (ЕС) давача, якщо подана на резистивну доріжку (П) зовнішня напруга (ЗН) постійна (рис. 2.1, б, поз. 4). Линійна характеристика перетворення (рис. 2.1, б, поз. 6) може бути легко змінена на квадратичну, ступеневу і будь-яку нелінійну із заданою крутизною, що досягається підбором конструктивних розмірів (довжини, ширини, товщини) резистивної доріжки.

автомобільний акселерометр трансформатор лінійний

Рис. 1. Розташування давачів на автомобілі

1 - давач конфігурації впускного колектора з керованою геометрією; 2 - давач тахометра; 3 - давач положення розподільного вала; 4 - давач навантаження двигуна; 5 - давач положення колінчастого валу; 6 - давач крутного моменту двигуна; 7 - давач кількості масла; 8 - давач температури охолоджувальної рідини; 9 - давач швидкості автомобіля; 10 - давач тиску масла; 11 - давач рівня охолоджувальної рідини; 12 - радарний давач системи гальмування; 13 - давач атмосферного тиску; 14 - радарний давач системи запобігання зіткнень; 15 - давач швидкості обертання ведучого вала коробки передач; 16 - давач обраної передачі в коробці передач; 17 - давач тиску палива в рампі форсунок; 18 - давач швидкості обертання керма; 19 - давач положення педалі; 20 - давач швидкості обертання автомобіля щодо вертикальної осі; 21 - давач протиугінної системи; 22 - давач положення сидіння; 23 - давач прискорення при фронтальному зіткненні; 24 - давач прискорення при бічному зіткненні; 25 - давач тиску палива в баку; 26 - давач рівня палива в баку; 27 - давач висоти кузова по відношенню до шасі; 28 - давач кута повороту керма; 29 - давач дощу або туману; 30 - давач температури забортного повітря; 31 - давач ваги пасажира; 32 - давач кисню; 33 - давач наявності пасажира в сидінні; 34 - давач положення дросельної заслінки; 35 - давач пропусків займання; 36 - давач положення клапана рециркуляції вихлопних газів; 37 - давач абсолютного тиску у впускному колекторі; 38 - давач азимута; 39 - давач швидкості обертання коліс; 40 - давач тиску в шинах.

З наведеного прикладу ясно, що будь-який давач завжди складається, як мінімум, з двох частин - з чутливого елементу (ЧЕ), здатного сприймати вхідний неелектричних вплив (НВ), і з перетворювача (П) проміжного неелектричного сигналу (НС) від чутливого елемента в вихідний електричний сигнал (ЕС).

Рис. 2. Моделі давачів ЕСАУ

За призначенням давачі класифікуються за типом керуючого неелектричного впливу: давачі крайових положень, давачі кутових і лінійних переміщень, давачі частоти обертання і числа обертів, давачі відносного або фіксованого положення, давачі механічного впливу, давачі тиску, давачі температури, давачі вологості, давачі концентрації кисню, давачі радіації та ін..

Давачі підключаються до ЕБУ або засобам індикації для передачі інформації про параметри контрольованого середовища. В автомобільних системах ціна і надійність мають величезне значення і при інших рівних умовах завжди вибирають давач з найменшим числом з'єднувачів. Якщо до давача слід підключити 5-6 проводів (наприклад, ЛДТ), доцільно розмістити мікросхему обробки сигналу безпосередньо на давачі і передавати дані контролеру через послідовний інтерфейс.

При підключенні давачів до ЕБУ слід мати на увазі, що шасі (маса) автомобілів не може бути використана в якості вимірювальної землі. Між точкою підключення ЕБУ до маси і давачем напруга може падати до 1 В за рахунок струмів силових елементів по масі, що неприпустимо як при штатній роботі давача, так і при його діагностиці.

2. Давачі тиску

На сучасних автомобілях використовується велика кількість давачів тиску (від тиску масла до диференціального тиску повітря по різні боки кузова), і їх кількість постійно зростає.

Вимірювання тиску в різних рідинних і газоподібних текучих середовищах проводиться на автомобілі в процесі розробки, виробництва та експлуатації. Результати цих вимірювань необхідні для проведення експериментальних досліджень, забезпечення нормальної безпечної експлуатації автомобіля, видачі інформації водієві, для діагностики.

В залежності від вимірюваного параметра можуть застосовуватися різні одиниці вимірювання тиску. В системі СІ це паскаль (Па) або кілопаскаль (кПа). Незалежно від методу вимірювання в технічних системах визначається надлишковий, абсолютний або диференціальний тиск.

Таблиця 1

	[psi]	[мм.рт.ст]	[кПа]
[psi]	1,0	51,715	6,8947
[мм.рт.ст]	0,0193	1,0	0,133332
[кПа]	0,1450	7,5006	1,0

У табл. 1 наведені співвідношення між різними одиницями виміру тиску, які використовуються при маркуванні давачів в автомобільній промисловості. Тут psi - це фунт на квадратний дюйм, одиниця, яка застосовується в англомовних країнах.

Сучасний серійний автомобіль має декілька давачів для вимірювання тиску,наприклад, розрідження у впускному колекторі, тиску масла в двигуні і т.д.

У табл. 2 наведені деякі вузли автомобіля, де є необхідність вимірювання тиску з метою отримання керуючих сигналів для ЕСАУ.

Таблиця 2

Система	Параметр	Діапазон
Керування двигуном	Абсолютний тиск у впускному колекторі [кПа]	100
	Абсолютний тиск у впускному колекторі двигуна з наддувом [кПа]	200
	Барометричний тиск [кПа]	100
	Тиск в системі рециркуляції вихлопних газів [кПа]	51,7
	Тиск палива [кПа]	450
Коробка перемикання передач	Тиск масла [кПа]	550
Антиблокувальна система гальм	Тиск масла [кПа]	3447
Повітряні подушки безпеки	Тиск газу [кПа]	51,7
Підвіска	Тиск в пневматичному амортизаторі [мПа]	1,0

Водієві зазвичай видається інформація з наступних давачів: тиску масла в двигуні, рівня палива, рівня масла, тиску охолоджувальної рідини, рівня охолоджувальної рідини, рівня рідини в омивачі, рівня рідини в коробці перемикання передач, тиску в шинах.

Давачі барометричного тиску і абсолютного тиску у впускному колекторі.

Такі давачі використовуються в системах управління двигуном при визначенні маси палива по об'ємній витраті повітря. Цей спосіб дешевший в реалізації в порівнянні з безпосереднім вимірюванням масової витрати повітря, але менш точний. Можуть використовуватися тільки для діагностики в бортових діагностичних системах другого покоління OBD-II.

Давачі барометричного (атмосферного) тиску потрібні для адаптації ЕБУ до перепадів висоти і змін погоди. Вони застосовуються спільно з витратоміром повітря за обсягом. Часто це один і той самий давач, тоді вимір атмосферного тиску проводиться, коли запалювання включене, а двигун ще не працює. При їзді в горах іноді доводиться спеціально зупинятися і перезапускати двигун для адаптації системи управління подачі палива до нової висоти.

Випускаються і здвоєні давачі (рис. 3). Вхід барометричного давача залишається відкритим і на нього подається атмосферний тиск, вхід давача розрідження з'єднується вакуумним шлангом з впускним колектором.

Рис. 3. Комбінований барометричний давач тиску та розрідження (Ford): 1 - вакуумний шланг; 2 - шланг в атмосферу



Рис. 4. Сучасний інтегральний давач тиску в захисному корпусі

Барометричні давачі і давачі тиску, що застосовуються для вимірювання розрідження у впускному трубопроводі, можуть бути різних конструкцій. Давачі тиску дискретної дії являють собою пристрій, де замикання і розмикання контактів відбувається під дією пружної мембрани, що реагує на вимірюваний тиск.

Давачі тиску неперервної дії являють собою або потенціометр, повзунок якого пов'язаний з мембраною, або котушку індуктивності, в яку мембрана під дією тиску всуває магнітний сердечник.

Сучасні інтегральні давачі (рис. 2.3) підключаються до мікропроцесора ЕБУ через комутатор і аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Для 8-розрядного контролера крок дискретизації може становити до 4 мс, для 16-розрядного - до 2 мс.

Похибка давача абсолютного тиску у впускному колекторі звичайно близько 1%.

Давач барометричного тиску працює в діапазоні 60 ... 115 кПа, має похибку близько 1,5%. По краях робочого діапазону, як по температурі, так і по тиску, похибка зростає.

Давачі абсолютного тиску в двигунах з надувом працюють в діапазоні тиску 20 ... 200 кПа.



Рис. 5. Спрощена електрична схема давача абсолютного (атмосферного) тиску з колами компенсації: А - коло температурної компенсації; B - вимірювальний міст; С - підналаштування нуля; D - коефіцієнт підсилення; E - термокомпенсація підсилювача

Розглянуті давачі мають, як правило, інтегральне виконання і кріпляться до стінок відповідних трубопроводів.

Широкого поширення набули напівпровідникові давачі з перетворювачем тиску на кремнієвому кристалі, в роботі якого використовується п'єзорезистивний ефект (рис. 5, 6). На поверхні кристала сформований місток опорів, струм через які змінюється під дією деформації. Потім струм підсилюється і вводиться температурна компенсація. Ці давачі відрізняються невеликими розмірами і високою надійністю. Інтегральні давачі дуже технологічні, їх вихідний сигнал уніфікований для підключення до аналогових або імпульсних входів мікроконтролера.



Рис. 6. Давач розрідження у впускному трубопроводі

Інформацію про тиск залежно від конструкції давача несе величина вихідної напруги або його частота.

У табл. 3 наведені характеристики деяких давачів абсолютного тиску.

Таблиця 3

Розрідження, мм.рт.ст.	GM, Вольти	Ford, Гц	Розрідження, мм.рт.ст.	GM, Вольти	Ford, Гц
0	4,8	156…159	308,4	2,54
25,7	4,52		334,1	2,36
51,4	4,46		359,8	2,20
77,1	4,26		385,5	2,00	114…117
102,8	4,06		411,2	1,80
128,5	3,88	141…143	436,9	1,62
154,2	3,66		462,6	1,42	108…109
179,9	3,50		488,3	1,20
205,6	3,30		514	1,10	102…104
231,3	3,10		539,7	0,88
257	2,94	127…130	565,4	0,66
282,7	2,76

Давачі тиску в рідинних середовищах.

На автомобілях вони традиційно засновані па перетворенні переміщення пружної діафрагми в положення перемикача або движка потенціометра. За таким принципом працюють усі давачі тиску масла в ДВЗ колишніх конструкцій. Сьогодні електромеханічні давачі заміняються па кремнієві або інтегральні керамічні. Безпосередньо в корпусі давача розміщують уніфікуючі перетворювачі. Є захист від електромагнітних перешкод, мікросхеми працюють при температурі -40 ... + 150 °С в умовах вібрацій, при тиску до 500 psi (3440 кПа), в агресивних хімічних середовищах. З міркувань вартості корпуси давачів виготовляються з пластмаси, стійкої до перерахованих впливів.

Інформація про тиск масла в коробці перемикання передач використовується контролером, що керує перемиканням швидкостей. Вимоги до давачів тут такі ж, як і при вимірюванні тиску масла в двигуні.

Тиск рідини в гальмівній гідравлічній системі набагато вищий, ніж в коробці перемикання передач. Наприклад, в ABS він може досягати 500 psi (3440 кПа). Тиск рідини в гальмівній системі автомобіля близько 150 psi (1030 кПа), він вимірюється давачами на легкових автомобілях на етапі випробувань і на важких вантажівках при експлуатації. На пасажирському автомобілі достатньо мати один давач тиску для контролю за гідравлічною системою. Наприклад, в системі ABS-VI фірми GM тиск оцінюється по струму електродвигунів насосів.

Нові застосування давачів тиску.

Давачі, що описуються нижче, використовуються на стадії розробки нових автомобільних систем. Їх застосування на серійних автомобілях визначається ціною, запитами споживача, вимогами законодавства, необхідністю при діагностиці.

Система контролю тиску повітря в шинах

Система дозволяє стежити за тиском в шинах і при його зменшенні нижче заданого рівня на панелі приладів автомобіля загоряється ламповий або світлодіодний індикатор.

Кожному колесу відповідає окремий індикатор. Знижений тиск у шинах підвищує їх знос, а також витрату палива, може призвести до втрати керування автомобілем, підвищений - призводить до вібрацій. На рис. 7 показані блок-схема системи контролю тиску в шинах і розміщення давача в колесі автомобіля.

Система складається з трьох основних елементів. На ободі колеса встановлений мембранний мініатюрний давач тиску (перший елемент), що замикає контакти при зниженні тиску в шині і тим самим створює вторинне коло для високочастотного випромінювача (другий елемент), який розміщений на вузлі кріплення гальмівних колодок (на супорті). Давач тиску постійно проходить в безпосередній близькості від випромінювача при обертанні колеса. Факт появи вторинного кола для випромінювача фіксується ЕБУ. На панелі приладів загоряється контрольний індикатор (третій елемент), що відповідає колесу зі зниженим тиском в шині. Система вимірює тиск з точністю до ± 50 мілібар. При нагріванні на 10 °С тиск в шині підвищується на 1,5 psi (10,33 кПа). Підвищення температури повітря в шині не позначається на точності давача тиску і не викликає помилкових спрацьовувань системи.



Рис. 7. Система контролю тиску в шинах: а - розміщення на колесі; б - блок схема

В іншому варіанті система контролю тиску повітря в шинах містить аналогові давачі тиску і температури. Ці давачі розміщуються в шинах і передають безконтактним способом інформацію в ЕБУ про тиск і температуру, навіть якщо автомобіль нерухомий. Враховуються також швидкість і завантаження автомобіля.

Тиск у системі рециркуляції вихлопних газів.

Система рециркуляції вихлопних газів (exhaust gas recirculation - EGR) призначена для зменшення вмісту оксидів азоту (NOx) у вихлопних газах. При наявності сонячного світла NOx вступає в реакцію з вуглеводнем, утворюючи канцерогенний фотохімічний смог.

Вперше система EGR була застосована в автомобілях Chrysler в 1972 році. Оксиди азоту виникають при температурі в камері згоряння вище 1370 °С (2500 °F). При деяких режимах роботи двигуна, коли не використовується повна потужність, наприклад, при рівномірному русі по шосе, можна зменшити температуру згоряння робочої суміші, тобто піти на зменшення потужності. Це досягається введенням невеликої кількості (6 ... 10%) вихлопних газів з випускного у впускний колектор. Так як вихлопні гази інертні, то вони розбавляють ПП-суміш, не змінюючи співвідношення повітря / паливо.

З 80-х років EGR стала частиною електронної системи управління двигуном. У відповідності з вимогами до бортових діагностичних систем другого покоління OBD-II, система управління двигуном постійно контролює справність клапана EGR, так як вихід його з ладу призводить до збільшення забруднення навколишнього середовища вихлопними газами автомобіля.

Наприклад, на автомобілях Ford в трубі між EGR і впускним колектором робиться вставка з отвором, що калібрується і вимірюється диференціальний тиск по обидві її сторони. Коли клапан EGR відкривається, цей тиск зменшується, що фіксується комп'ютером за допомогою давача диференціального тиску. Коли клапан EGR закритий, тиск по обидва боки вставки стає однаковим. На серійних автомобілях можуть також застосовуватися давачі положення клапана EGR. Положення клапана модулюється в залежності від розрідження у впускному колекторі за принципом широтно-імпульсної модуляції або 3-розрядного цифроаналогового перетворювача, коли в різній комбінації відкриваються 3 електроклапана з перерізами в співвідношенні 1-2-4. Зміни тиску на 50 мм рт. ст. достатньо для відкривання клапана. Диференціальний тиск зазвичай дорівнює 200 мм рт. ст. Тиск парів палива в баку.

Автомобіль виробляє токсичні відходи при експлуатації, які потрапляють у навколишнє середовище: 60% у вигляді вихлопних газів під час руху, 20% у вигляді картерних газів і 20% за рахунок випаровування пального. Для зменшення шкідливого впливу випаровувань пального, останні надходить з баку в адсорбер з активованим вугіллям, об'ємом 850 ... 1000 см3, де накопичуються і спалюються в двигуні у потрібний час. На рис. 2.7 показана система уловлювання парів бензину з паливного бака, в якій для управління продувкою адсорбера використовується клапан з диференціальним давачем тиску між тиском в задросельній зоні впускного колектора і тиском парів палива в баку. Робочий діапазон ± 0,5 psi (3,5 кПа).



Рис. 8. Система уловлювання парів бензину

Тиск бензину в рампі.

Регулятори тиску палива в рампі форсунок зазвичай виконують механічними і розташовують безпосередньо на рампі. У деяких моделях (наприклад, 5,9-літровий Dodge Magnum) паливний фільтр і регулятор тиску розташовані безпосередньо в баку, що виключає повернення нагрітого палива, зменшує його випаровування. Є системи подачі палива зі стабілізацією тиску в рампі без зворотної лінії, де паливний електронасос включається системою стабілізації періодично.

Стрибки тиску.

Такі явища можуть виникати в різних автомобільних системах. Наприклад, в системі подачі палива нормальний тиск менше 75 psi (520 кПа), але під час роботи форсунок можуть бути стрибки до 300 psi (2070 кПа).

Під час зворотного спалаху у впускному колекторі тиск піднімається до 75 psi (520 кПа).

Традиційні методи боротьби із стрибками тиску: механічні стопори і фільтри, раціональна (ударостійка) конструкція давачів. У сучасних інтегральних давачах тиску використовуються кремнієві чутливі елементи. Їх модуль пружності 30*106 psi (не гірше, ніж у сталі), а напруга текучості навіть вища (180 ... 300 psi). У міцному корпусі такі давачі зазвичай витримують стрибки тиску.

Нові конструкції давачів тиску.

Мембранні потенціометричні давачі.

Чутливим елементом тут є гнучка діафрагма або мембрана. При зміні тиску її переміщення перетворюється в положення движка потенціометра. Для потенціометричних давачів характерні підвищений рівень шуму, знос, статичне тертя ускладнює регулювання в діапазоні менше 0,5% від номіналу.

Резистивний дротяний потенціометр з ковзаючим контактом - один з найбільш простих і ефективних перетворювачів переміщення. Для його використання потрібно лише з'єднати ковзний контакт (движок) з рухомим об'єктом, а іншу частину потенціометра закріпити нерухомо. Але движок потенціометра контактує з окремими витками на котушці, тому вихідний сигнал (напруга) перетворювача змінюється не безперервно, а у вигляді перемежованих малих і великих стрибків. Малий стрибок має місце, коли движок замикає два сусідніх витка, великий стрибок відповідає моменту переміщення движка до наступного витка і розмикання контакту з попереднім витком. Таким чином, роздільна здатність цього перетворювача залежить від діаметра намотаного дроту і може бути покращена шляхом використання більш тонкого дроту. Для потенціометра з щільністю намотування 50 витків на міліметр, що близько до практичної межі, гранична роздільна здатність складає 20 мкм.

Сьогодні в потенціометричних давачах використовується плівкове покриття резистивної доріжки. Більш докладно про потенціометричні та інші традиційні давачі ЕСАУ див.

Давачі тиску на основі лінійних диференціальних трансформаторів (ЛДТ).

У цих давачах зміщення діафрагми перетворюється в переміщення сердечника ЛДТ. Такі давачі раніше на автомобілях не застосовувалися.

Лінійний диференціальний трансформатор - це електромеханічний пристрій, що виробляє вихідний електричний сигнал, пропорційний переміщенню феромагнітного сердечника. ЛДТ складається з первинної і двох вторинних обмоток, симетрично розташованих на циліндричному каркасі. Феромагнітний сердечник у формі стрижня, що вільно рухається всередині обмоток, забезпечує зв'язок цих обмоток через магнітний потік. На рис. 9 показана конструкція ЛДТ і наведена його принципова електрична схема.

При збудженні первинної обмотки за допомогою зовнішнього джерела змінної напруги в двох вторинних обмотках наводяться ЕРС взаємоіндукції. Вторинні обмотки включені послідовно і зустрічно, тому результуючий вихідний сигнал перетворювача являє собою різницю цих напруг і дорівнює нулю, коли сердечник знаходиться в центральній (або в нульовий) позиції.

Коли сердечник покидає цю позицію то напруга, індукована в тій вторинній обмотці, до якої рухається сердечник, зростає, а напруга, індукована в інший вторинній обмотці, зменшується. В результаті виробляється диференційний вихідний сигнал, величина якого лінійно залежить від положення сердечника. Фаза вихідної напруги змінюється стрибком на 180° при переході через нульову позицію.

Корисну інформацію про переміщення несуть амплітуда і фаза вихідного сигналу. Доводиться використовувати фазочутливі демодулятори, які існують в інтегральному виконанні.

На автомобілях ЛДТ можуть застосовуватися в давачах абсолютного тиску впускного колектора, де вони перетворюють переміщення мембрани в електричний сигнал.



Рис. 9. Лінійний диференціальний трансформатор і його принципова схема

ЛДТ забезпечує похибку перетворення переміщення сердечника в напругу порядку 0,25%.

Первинна обмотка живиться синусоїдальною напругою 3 ... 15 В з частотою 2 ... 5 кГц. Коефіцієнт трансформації диференціального трансформатора 10:1 ... 2:1.

ЛДТ характеризується відсутністю тертя, стабільністю нуля, гальванічною розв'язкою входу і виходу, може працювати в агресивних середовищах.

Ємнісні давачі тиску.

У таких давачах одна з обкладок конденсатора є діафрагмою, яка прогинається при зміні тиску. Номінальна ємність конденсатора визначається залежністю С = А•k•е/d, де А - площа обкладки, е - діелектрична стала, d - відстань між обкладками, k - коефіцієнт, що залежить від конструкції давача. В якості чутливих елементів використовуються кремнієві або керамічні діафрагми.

На рис. 10 показаний ємнісний давач з кремнієвим чутливим елементом для вимірювання розрідження (Ford).

Рис. 10. Ємнісний давач

Кремнієва діафрагма закріплена на корпусі зі скла Pyrex, поверхня скла металізована для створення обкладки конденсатора методом фотолітографії. Після закріплення кремнієвої діафрагми на скляній основі спеціальним герметиком в порожнині створюється вакуум, отвори запаюються припоєм, який утворює виводи конденсатора для монтажу на друковану плату або керамічну підкладку. Ємність конденсатора змінюється лінійно приблизно від 32 до 39 пФ при зміні тиску від 17 до 105 кПа. Розміри давача 6,7 х 6,7 мм, коефіцієнт ТКЕ - (30 ... 80) • 10-6 на °С, нелінійність менше 1,4%, час встановлення показів менше 1 мс. Вихідний сигнал давача для підключення до ЕБУ зазвичай перетворюють в частоту.

Аналогічно влаштовані і керамічні давачі.

Скловолоконний давач тиску.

Для вимірювань великих тисків або при високих температурах застосовуються спеціальні методи. Цілком можливо, що для безпосереднього вимірювання тиску в камері згорання на серійних автомобілях буде використовуватися скловолоконний давач. Це потрібно для керування двигуном і контролю процесу запалювання робочої суміші.

Скловолоконний, іноді говорять волоконно-оптичний, давач (рис. 11) витримує температури до 550 °С (більше, ніж п'єзоелектричний), робочий діапазон тисків 0 ... 1000 psi (7000 кПа) з перевантаженнями до 3000 psi.

Рис. 11. Скловолоконний давач тиску

Світлове випромінювання від джерела проходить через оптичне волокно і потрапляє на діафрагму розбіжним пучком. Відбите від діафрагми випромінювання проходить по іншому каналу кабеля. Інтенсивність зворотного світлового випромінювання залежить зазору D та положення діафрагми. Дослідні зразки давачів монтувалися безпосередньо в свічу запалювання і мали похибку менше 5%.

В якості давачів аварійного тиску і для виконання інших нескладних функцій у сучасних автомобільних системах, поряд з описаними вище, як і раніше застосовуються найпростіші контактні давачі.

3. Давачі температури і вологості

Температура і вологість - найважливіші фактори, що враховуються при проектуванні і експлуатації автомобілів. Автомобілі експлуатуються в різних кліматичних зонах (-60 ... +57 °С), при цьому в підкапотному просторі температура може змінюватися в діапазоні -40 ... +125 °С; в салоні -40 ...+85 °С.

Температура і вологість у різних місцях автомобіля можуть мати значення, величини яких наведені в табл. 4.

Таблиця 4

Вузол	Температура	Вологість (відносна)	Іній
Випускний колектор	-40 ... +649 °С	95% при +38 °С ... 0	+
Впускний колектор	-40 ... +121 °С	95% при +38 °С ... 0	+
Панель приладів	-40 ... +141 °С	95% при +38 °С ... 0	-
Шассі, корпус	-40 ... +177 °С	98% при +38 °С ... 0	+

Вологість впливає на комфортабельність салону і працездатність деяких вузлів автомобіля.

На автомобілі є достатня кількість джерел тепла, які вказані в табл. 5.

Таблиця 5

Джерело	Примітка	Максимальна температура, °С
Двигун	Процес згорання	>1000
Каталітичний нейтралізатор	Хімічні реакції	>1000
Шини	Тертя до дороги, удари	<100
Гальма	Колодки	<250
Лампи освітлення	Звичайні	<125
Лампи в фарах	Галогенні	<750
Силові транзистори	В електронних схемах	<200

Вузли автомобіля, в яких проводиться вимірювання температури.

У багатьох вузлах автомобіля необхідно проводити вимірювання температури на етапі доведення дослідного зразка. На серійних автомобілях давачі температури необхідні для забезпечення штатної роботи двигуна, систем управління та діагностики. У табл. 6 перераховані основні системи автомобіля, в компонентах яких проводиться вимірювання температури і можливо буде проводитися вимірювання вологості найближчим часом.

Таблиця 6

Вузол/система	Параметр
Система керування двигуном	Температура воздуха у впускному колекторі Температура охолоджувальної рідини в двигуні Вологість повітря в впускному колекторі Температура повітря за бортом Температура палива
Система керування кліматом в салоні	Вологість повітря в салоні Температура повітря в салоні Температура повітря за бортом
Система інформування водія	Температура охолоджувальної рідини в двигуні Температура гальмівної рідини в гальмівних циліндрах коліс Температура повітря за бортом Температура повітря в салоні Температура повітря в шинах Температура електроліту Наявність дощу (опадів) Інтенсивність сонячної радіації

Методи і засоби вимірювання температури можуть різнитися для серійних і дослідних автомобілів. Для серійних найбільш важливі експлуатаційні характеристики, надійність, вартість. Для дослідних - сумісність зі складним вимірювальним та реєструючим устаткуванням, доступність такого обладнання в даний час.

> Температура рідинних середовищ. Це зазвичай охолоджувальна рідина (охолодження ДВЗ), масло двигуна, масло в коробці передач, паливо, гальмівна рідина, електроліт в акумуляторі. Температура охолодження контролюється на серійних автомобілях. Також можливо контролювати температуру масла в двигуні і коробці передач. На трекових автомобілях при відборі пікової потужності контролюється температура палива, масла, охолодження. Температура зазначених рідин вимірюється в межах -40 ... +200 °С.

> Температура електроліту в акумуляторах повинна враховуватися для установки оптимального напруги зарядження на генераторі. Це робиться зазвичай на етапі випробувань. Використовуються скляні термометри або засклені термопари.

На електромобілях можуть використовуватися акумулятори з робочою температурою електроліту 300 ... 350 °С або тверді паливні елементи з робочою температурою до 1000 °С, при цьому система управління і діагностики повинна постійно контролювати цю температуру.

> Температура повітря на серійних автомобілях контролюється на вході в двигун, за бортом, в салоні. При випробуваннях вимірюється температура повітря поблизу електронних компонентів, верхня межа зазвичай 85 ... 125 °С.

> Температура в каталітичному нейтралізаторі раніше контролювалася лише на етапі випробувань, тому що її високі робочі значення (> 350 ° С) не повинні чинити негативного впливу на близько розташовані вузли автомобіля. Сьогодні є необхідність прискореного розігріву нейтралізатора при пуску двигуна для якнайшвидшого його приведення у робочий стан і зменшення токсичності вихлопу. Розігрів здійснюють або бензиновим пальником або електричним, при цьому здійснюється контроль за температурою нейтралізатора. Вимірювання температури проводиться також з діагностичною метою.

> Температура давача кисню (> 350 °С) контролюється на етапі випробувань автомобіля і двигуна.

> Температура повітря в шинах, поряд з тиском, вимірюється на дослідних і трекових моделях автомобілів. Наприклад, система Michelin для трекових автомобілів Peugot Proxima має давачі в кожному колесі, сигнали передаються по радіочастоті приймачу і потім в інформаційну систему водія. При t > 85 °С дана система рекомендує знизити швидкість до 240 км / год, при t > 90 °С до 160 км / год, при t > 100 ° С - зупинитися.

> Температура в силових електронних і інтегральних схемах контролюється автоматично. Це зберігає дорогі компоненти в аварійних режимах, наприклад, при короткому замиканні.

Очевидно, що давачі температури на автомобілі різняться за призначенням і мають різні робочі діапазони.

У табл. 2.7 наведені типи давачів. Тип Р - використовується на серійних моделях; тип D - на дослідних автомобілях при їх випробуваннях; тип F - для можливого використання в майбутньому.

Таблиця 7

Тип давача	Діапазон температур, °C	Використання
Термістор	0 … 500	P
Термопара	-200 … +3000	D
Біметалічна пластина	-50 … +450	P
Потенціометричний	-40 … +125	P
Резистор (платиновий)	-200 … +850	P
p-n-перехід	-40 … +200	P
Термостат	-50 … +500	P
Волоконна оптика	0 … +1800	D/F
Термоіндикатори	-40 … +1350	D
Інфрачервоний термометр	-200 … +1000	D

Термістори.

Термістори найбільш часто використовуються для вимірювання температури на автомобілях. При зміні температури змінюється електричний опір термістора і вихідний сигнал давача у вигляді струму або напруги.

В основному термістори мають негативний температурний коефіцієнт опору. Термістори, що використовуються в автомобільній промисловості, мають опір від декількох кілоом при 0 до сотень ом при 100 °С. Такий динамічний діапазон зміни опору вважається задовільним для всіх автомобільних потреб.

Термістори виготовляються з напівпровідників, наприклад, з окису нікелю або окису кобальту. При збільшенні температури в напівпровіднику зростає кількість вільних електронів і зменшується електричний опір. Система вимірювання температури на основі термістора має високу чутливість, так як відносно невеликі зміни температури призводять до значних змін опору.

На рис. 12 показана найпростіша схема перетворювача температури в напругу. Напруга живлення повинна бути стабільною, робочий струм не повинен нагрівати термістор, інакше виникатимуть додаткові похибки. Температура термістора збільшується на 1 °С на кожні 1,3 мВт потужності, яка розсіюється.

Рис. 12. Схема ввімкнення термістора RT

Типовий приклад застосування термісторів на автомобілі - давач температури охолоджувальної рідини (рис. 13). Давач вкручений у випускний патрубок охолоджувальної рідини, закріплений на голівці блоку циліндрів або безпосередньо в голівці блоку, тобто знаходиться в потоці охолоджувальної рідини.



Рис. 13. Давач температури охолоджувальної рідини

При низькій температурі охолоджувальної рідини давач має високий опір (100 кОм при -40 °С), а при високій температурі - низький (70 Ом при 130 °С). Електронний блок управління подає на давач через опір певної величини напругу 5 В (утворюючи таким чином дільник напруги) і вимірює падіння напруги на давачі. Воно буде високим при холодному двигуні і низьким, коли двигун прогрітий. З падіння напруги блок управління визначає температуру охолоджувальної рідини. Ця температура впливає на роботу більшості систем, якими управляє електронний блок керування.

> Термісторний давач температури повітря має аналогічну конструкцію. Він розташований в системі подачі і очищення повітря. Робочий діапазон температур -40 ... 120 °С.

У деяких випадках, з метою підвищення чутливості, передбачено шунтування додаткового опору R в схемі показаній на рис. 12. При цьому характеристики термісторного давача змінюються відповідно до табл. 8.

Таблиця 8

	Температура, °C	Опір термістора, Ом	Вихідна напруга, В
Шунт вимкнений	-40	>100000	5,00
	-8	3260	3,93
	0	2940	3,56
	10	2445	2,98
	20	1956	2,41
	30	1493	1,86
	40	1115	1,40
Шунт ввімкнений	50	786	3,69
	60	566	3,27
	70	426	2,87
	80	308	2,44
	90	226	2,05
	100	170	1,70
	110	128	1,39
	120	98	1,15

Термопари.

Термопара являє собою пристрій, що складається з двох провідників з різнорідних металів або сплавів із зварним контактом на одному з кінців. На іншому кінці два провідники з'єднані один з одним, так що утворюється замкнуте коло. Якщо температури, при яких знаходяться два протилежні контакти різні, то в замкнутому колі буде протікати струм. Цей струм існує в колі до тих пір, поки існує різниця температур. Електрорушійна сила, що викликає спостережуваний струм, називається термоЕРС Зебека. Якщо замкнуте коло розірвати посередині, то напруга між її розімкнутими вільними кінцями буде функцією різниці між температурою зварного контакту і температурою вільних кінців і буде залежати від конкретної комбінації матеріалів у термопарі.

Термопари використовуються зазвичай для вимірювання високих температур. Наприклад, термопара виконана зі сплаву 70% платини і 30% родію або 94% пла тини і 6% родію, працює в діапазоні температур 0 ... 1500 °С. Такий давач встановлюється у випускному трубопроводі.

Термопари в автомобілях використовуються на етапі випробувань.

Інші типи давачів температури.

> У давачі температури па основі біметалічного чутливого елемента (рис. 14) використовується властивість різних металів по-різному змінювати свої лінійні розміри в залежності від температури. Вигин (переміщення) пластини використовується для замикання або розмикання контактів або переміщення движка потенціометра. У першому випадку виходить дискретний, а в другому - аналоговий давач температури.

>У давачах температури, реалізованих на p-n-переході, використовується властивість переходу змінювати спадок напруги в залежності від температури при постійному струмі, наприклад, в якості такого давача використовується перехід база-емітер кремнієвого транзистора з малим струмом колектора ( близько 0,1 мА) для запобігання саморозігріву. У діапазоні температур -40 ... + 150 °С напруга на переході змінюється від 730 до 300 мВ з нелінійністю ± 3 мВ. Подібні давачі розташовуються безпосередньо в мікросхемах силових перетворювачів і стабілізаторів.

Рис. 14. Біметалічний чутливий елемент

> Термостат - це механічний давач температури. Елемент, що розширюється, приводить в дію клапан, який перенаправляє потік охолоджувальної рідини в радіаторі.

> Термоіндикатори - матеріали, температура плавлення яких калібрується з точністю до ± 1 °С, при цьому змінюється колір. Використовуються у вигляді фарби або аплікацій, які наносяться на поверхню, що перевіряється під час випробувань автомобіля.

> Інфрачервоні термометри (пірометри) визначають температуру тіл по їх тепловому випромінюванню. Метод безконтактний.

Датчики вологості.

Цей тип давачів інтенсивно використовується під час кліматичних випробувань автомобіля. На серійних автомобілях вони поки що не встановлюються.

В основному використовуються давачі відносної вологості - резистивні та ємнісні. У ємнісних вологість змінює діелектричні властивості ізолятора (полімерної плівки). Такі давачі стабільні, працюють до 180 °С. У резистивних давачах змінюється опір об'ємного полімеру в залежності від відносної вологості. Наприклад, при зміні відносної вологості в межах 10 ... 100% опір давача змінюється в діапазоні 2•107 ... 2•103 Ом.

Размещено на Allbest.ru

...