Глава 2. Датчики новітніх автомобільних електронних систем

Рис. 2.8. Лінійний диференціальний трансформатор та її принципова схема

позиції. При догляді сердечника з цьої позиції напруга, індицірує у тому вториній обмотці, до котрої я рухається сердечник, зростає, а напруга, індицирує на другий вторинної обмотці, зменшується. Через війну вробляється диференціальний вихідний сигнал, величина якого лінійно залежить від становища сердечника. Фаза вихідного напруги змінюється стрибком на 180° під час переходу через нульову позицію.

Корисну інформацію про переміщення несуть амплітуда і фаза вихідного сигналу. Доводиться використовувати фазочутливі демодулятори, вони є у інтегральному виконанні.

На автомобілях ЛДТ можна застосовувати в датчиках абсолютного тиску впускного колектора, де їх перетворять переміщення мембрани в електричний сигнал.

ЛДТ забезпечує похибка перетворення переміщення сердечника в напруга порядку 0,25%.

Первинна обмотка підзаряджається синусоїдальною напругою 3...15 У із частотою 2...5 кГц. Коефіцієнт трансформації диференціального трансформатора 10:1...2:1.

ЛДТ характеризується відсутністю тертя, стабільністю нуля, гальванічної розв'язкою входу й аж виходу, може працювати у агресивних середовищах.

У цих датчиках одна з об кладок конденсатора є діафрагмою, котра прогинається за зміни тиску. Номінальна ємність конденсатора визначається залежністю З = A -k -s/d, де А — площа обкладки, p.s — діалектична стала, d — відстань між обкладками, до — коефіцієнт, залежить від конструкції датчика. Як чутливих елементів використовуються кремнієві чи керамічні діафрагми.

На рис. 2.9 показаний ємкісний датчик з кремнієвим чутливим елементом для виміру розрідження (Ford).

2.2. Датчики тиску Кремнієва діафрагма Металізований електрод Вакуумна камера Електричний контакт Герметик 0,9 мм Напаяні висновки Рис. 2.9. ЕМКОСТНОЙ датчик Скло Ругех Кремнієва діафрагма закріплена на корпусі зі скла Ругех, поверхню скла металізірована до створення обкладки конденсатора методом фотолітографії. Після закріплення кремнієвої діафрагми на скляній основі спеціальним герметиком в порожнини створюється вакуум, отвори запаюються припоєм, який утворює висновки конденсатора для монтажу друкарський плату або керамічний підкладку. Ємність конденсатора змінюється лінійно приблизно від 32 до 39 пФ за зміни тиску від 17 до 105 кПа. Розміри датчика 6,7 x 6.7 мм, коефіцієнт ТКЕ — (30...80) • 10"(' на °З, нелінійний менш 1,4%, час встановлення показань менш 1 мс. Вихідний сигнал датчика для підключення до ЭБУ зазвичай перетворять в частоту. Аналогічно влаштовані і керамічні датчики. Скловолокнистий датчик тиску Для вимірів великих тисків або за високих температур застосовуються спеціальні методи. Скловолокнистий датчик можна буде використовуватися для безпосереднього вимірювань тиску в камері згоряння на серійних автомобілях. Це треба задля управління двигуном і функцію контролю процесу запалення робочої суміші. Скловолокнистий, іноді говорять волокняно-оптичний, датчик (рис. 2.10) витримує температури до 550 °З (більше, ніж п'єзоелектричний), робочий діапазон тисків 0...1000 psi (7000 кПа) з перевантаженнями до 3000 psi. Світлове випромінювання джерела проходить через оптичні волокна й потрапляє на діафрагму розбіжним пучком. Відбите від діафрагми випромінювання про Джерело випромінювання Вхід Діафрагма Скловолокно Тиск Фото- детектор Вихід I-D-J

Рис. 2.10. Скловолокний датчик тиску

Глава 2. Датчики новітніх автомобільних електронних систем ходить з іншого каналу кабелю. Інтенсивність зворотного світлового випромінювання залежить від зазору D й положення діафрагми. Досвідчені зразки датчиків монтувалися у свічку запалювання і мали похибка менш 5%. Як датчиків аварійного тиску й у виконання інших нескладних функцій у сприйнятті сучасних автомобільних системах, поруч із вищеописаними, використовувалися найпростіші контактні датчики. 2.3. Датчики температури і вологості Температура і вологість — найважливіші чинники, враховані під час проектування і експлуатації автомобілів. Автомобілі експлуатуються у різних кліматичних зонах (-60...+57 °З), причому у підкапотному просторі температура не може змінюватися буде в діапазоні -40...+ 125 °З; в салоні —40...Ч 85 °З.

Температура і вологість у різних куточках автомобіля може мати значення, величини яких зведені в табл. 2.4.

Таблиця 2.4 Вузол Випускний колектор Впускний колектор і Приладова панель Шасі, корпус Температура,

2.3. Датчики температури і вологості

2.3.1. Вузли автомобіля, у яких виробляється вимірювати температуру Багато вузлах автомобіля необхідно здійснювати вимірювати температуру на етапі доводки досвідченого зразка. На серійних автомобілях датчики температури необхідні забезпечення штатної роботи двигуна, системам управління і діагностики. У табл. 2.6 перераховані основні системи автомобіля, в компонентах яких виробляється вимірювати температуру і, можливо здійснюватиметься вимір вологості найближчим часом.

Методи і кошти виміру температури можуть різнитися для серійних та досвідчених автомобілів. Для серійних найважливіші експлуатаційні характеристики, надійність, вартість. Для досвідчених — сумісність зі складною вимірювальними, реєструючими устаткуванням, доступність такого обладнання тепер.

► Температура рідинних середовищ. Це зазвичай що охолоджує рідина (охолоджувач ДВС), олію двигуна, в коробці передач, паливо, гальмівна рідина, електроліт в акумуляторі. Температура охолоджувача контролюється на серійних автомобілях. Можливо контролювати температуру олії на двигуні і коробці передач. На гоночних автомобілях у доборі пікової потужності контролюється температура палива, олії, охолоджувача. Температура зазначених рідин виміряється не більше -40...+200 °З.

► Температура електроліту в акумуляторах повинна враховуватися для установки оптимального зарядного напруги на генераторі. Це потрібно зазвичай на етапі випробувань. Використовуються скляні термометри чи засклені термопари. На электромобилях можна використовувати акумулятори з робочої температурою електроліту 300...350 °З чи тверді паливні елементи з робочої температурою до 1000 °З, у своїй систему управління і діагностики повинна постійно контролювати цю температуру.

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

► Температура в каталітичному нейтралізаторі раніше контролювалася тільки етапі випробувань, т. до. її високі робочі значення (>350 °З) нічого не винні надавати негативного на близько розташовані вузли автомобіля. Сьогодні необхідно прискореного розігріву нейтралізатора під час пуску двигуна для якнайшвидшого його приведення робочого стану і зменшення токсичності вихлопу. Розігрів виробляють чи бензинової горілкою чи електричною, у своїй здійснюється контролю над температурою нейтралізатора. Вимірювання температури виробляється і з діагностичної метою.

► Температура датчика кисню (>350 °З) контролюється на етапі випробувань автомобіля та двигуна.

► Температура повітря на шинах, поруч із тиском, вимірюється на досвідчених і гоночних моделях автомобілів. Наприклад, система Michelin для гоночних автомобілів Peugot Proxima має датчики у кожному колесі, сигнали передаються на радіочастоті приймачу і у інформаційну систему водія. При t > 85 °З дана система рекомендує знизити швидкість до 240 км/год, при t > 90 °З до 160 км/год, при t > 100 °З — зупинитися.

► Температура у силових електронних і інтегральних схемах контролюється автоматично. Це зберігає дорогі компоненти в аварійних режимах, наприклад, при короткому замиканні. Зрозуміло, що датчики температури автомобілем відрізняються за призначенням і мають різні робочі діапазони. У табл. 2.7 наведено типи датчиків. Тип Р — використовується на серійних моделях; тип D — на досвідчених автомобілях за її випробуваннях; тип F — можливо використання у майбутньому.

2.3.2. Термистори

Термистори найчастіше йдуть на виміру температури автомобілями. При зміні температури змінюється електричне опір термистора і вихідний сигнал датчика як струму чи напруги. Здебільшого термистори мають негативний температурний коефіцієнт опору. Термистори, використовувані в автомобільну промисловість, мають опір і від кількох кОм при 0 до сотень ом при 100 "З. Такий динамічний діапазон зміни опору вважається задовільним всім автомобільних потреб. Термистори виготовляються з напівпровідників, наприклад, окису нікелю чи окису кобальту. При збільшенні температури в Напівпровіднику збільшується кількість вільних електронів і зменшується електричне опір. Система виміру температури з урахуванням термістора має високий чутливість, оскільки відносно невеликі зміни температури призводять до значних змін опору.

Рис. 2.11. Схема ввімкнення термістора Rт

На рис. 2.11 показано найпростіша схема перетворювача температури в напруга. Напруга харчування має бути стабільним, робочий струм ні нагрівати термистор, інакше виникають додаткові похибки. Температура термистора поповнюється 1 °З на кожні 1,3 мВт розсіюваної потужності. Типовий приклад застосування термисторів автомобілем — датчик температури охолоджувальної рідини

Рис. 2.12. датчик температури охолоджувальної рідини

(рис. 2.12). Датчик повернутий випускний патрубок охолоджувальної рідини, закріплений на голівці блоку циліндрів чи в голівку блоку, т. е. перебуває у потоці охолоджувальної рідини.

При низької температури охолоджувальної рідини датчик має високе опір (100 кОм при -40 °З), а за високої температури — низька (70 Ом при 130 °З). Електронний блок управління подає до датчику через опір певної величини напруга 5 У (створюючи в такий спосіб дільник напруги) і вимірює падіння напруги на датчику. Вона буде високим на холодному двигуні і низьким, коли двигун прогрітий. По падіння напруги блок управління визначає температуру охолоджувальної рідини. Ця температура впливає роботу більшості систем, якими управляє електронний блок управління.

► Термисторний датчик температури повітря має аналогічну конструкцію. Розташований у системі подачі й очищення повітря. Робочий діапазон температур -40... 120 °З. У окремих випадках, з метою підвищення чутливості, передбачається шунтування додаткового опору R у схемі показань на рис. 2.11. У цьому характеристики термисторного датчика змінюються відповідно до табл. 2.8.

2.3.3. Термопари

Термопара є пристрій, що складається з двох провідників з різнорідних металів чи сплавів зі зварювальним контактом одному з кінців. З протилежного боку два провідника з'єднують друг з одним, отже утворюється замкнутий ланцюг. Якщо температури, при яких находяться два протилежних контакта, різні, то в замкнутому ланцюзі буде протікати струм. Цей струм існує у ланцюга до того часу, поки існують різниця температур. Електрорушійна сила, що викликає спостережуваний струм, називається термо ЭДС Зеебека. Якщо замкнуту ланцюг розірвати посередині, ту напругу між її розімкнута*»! вільними кінцями буде функцією різниці між температурою зварного контакту і температурою вільних кінців і залежатиме від конкретної комбінації матеріалів термопари. Термопари використовуються зазвичай для виміру високих температур. Наприклад, термопара, виконана з сплаву 70% платини і 30% родію чи 94% платини і шість% родію, працює у діапазоні температур 0...1500 °З. Такий датчик встановлюється в випускному трубопроводі. Термопари в автомобілях використовуються на етапі випробувань.

2.3.4. Інші типи датчиків температури

► У датчику температури з урахуванням біметалічного чутливого елемента (рис. 2.13) використовується властивість різних металів по-різному змінювати свої лінійні розміри залежно від температури. Вигин (переміщення) пластини ів- f користується для замикання чи розмикання гщ метал 1 п контактів чи переміщення движка потенціометра. У першому випадку виходить дискретний датчик температури.

Рис. 2.13 Біметалічний чутливий елемент

► У датчиках температури, реалізованих на р-п-переході, використовується властивість пере- чутливий елемент ходу змінювати падіння напруги залежно від температури при постійному струмі. Наприклад, як датчика використовується перехід база-емитер кремнієвого транзистора малим струмом колектора (близько 0,ГмА) задля унеможливлення саме розігріву. У діапазоні температур -40...+150 °З напруга на переході змінюється від 730 до 300 мВ з нелінійністю ±3 мВ. Такі датчики розміщуються у мікросхемах силових перетворювачів і стабілізаторів.

► Термостат — це механічний датчик температури. Дедалі Ширший елемент спричиняє дію клапан, пере направляючий потік охолоджувальної рідини в радіаторі.

► Термоіндикатори — матеріали, температура плавлення яких калібрується з точністю до ±1 °З, у своїй змінюється колір. Використовуються як фарби чи аплікацій, що наносяться на дану поверхню під час випробувань автомобіля.

► Інфрачервоні термометри (пірометри) визначають температуру тіл з їхньої тепловому випромінюванню. Метод безконтактний. 2.3.5. Датчики вологості Цей тип датчиків інтенсивно використовується під час кліматичних випробувань автомобіля. На серійних автомобілях доки встановлюються. Здебільшого використовуються датчики відносної вологості — резистивні ємнісні. У ємкісних вологість змінює діелектричні властивості ізолятора (полімерної плівки). Такі датчики стабільні, працюють до 180 "З. У резистивних датчиках змінюється опір об'ємного полімеру залежно від відносної вологості. Наприклад, за зміни відносної вологості не більше 10... 100% опір датчика змінюється у діапазоні 2 • 107...2 -103 Ом. 2.4. Датчики витрати рідин і газів 2.4.1. Загальні відомості Датчики витрати необхідні оптимальної реалізації основних функцій управління двигуном. Наприклад, в системах управління впорскуванням кількість подаваного в двигун палива розраховується за масі повітря, подаваного в циліндри. Маса повітря МА вимірюється безпосередньо чи опосередковано, по об'ємному витраті:

V — число оборотів, V — обсяг двигуна (літраж), ц — коефіцієнт використання обсягу двигуна (r\ =f(N)), P — розрідження у впускному колекторі, RA — конструктивна стала, ТА — температура повітря у впускному колекторі. При непрямому вимірі маси МА повітря треба враховувати залежність обсягу Кот коксування, і навіть запізніле розуміння змін Р стосовно змін Л/Л. Такий спосіб виходить дешевшим стосовно безпосередньому виміру маси повітря, але менш точним. Сучасні автомобілі оснащуються переважно датчиками для безпосереднього виміру маси МА всмоктуваного в циліндри повітря. Вихідний сигнал таких датчиків аналоговий (0...4 У) чи частотний. Крім виміру маси що надходить двигун повітря датчики витрати вже нині знаходять застосування автомобілем у таких випадках:

• щодо витрати палива для інформаційної системи водія. Витрата визначається по різниці між кількістю палива, котрі вступили в рампу форсунок і поверненим в бак;

• щодо витрати через клапан рециркуляції вихлопних газів (EGR). При певних умов вихлопні гази через клапан EGR охолоджують камеру згоряння, що знижує зміст NOx в вихлопі. Контроль за витратою газу через клапан — одне із способів перевірки вмотивованості його функціонування. Відповідно до вимогами OBD-II, ЭБУ має здійснювати постійний моніторинг систем, несправність яких призведе до підвищення забруднення довкілля;

• щодо витрати додаткового повітря на каталітичному нейтрализаторі. У деякі типи нейтралізаторів для мінімізації токсичних речовин ЗІ і СП застосовується подача додаткового повітря при прогріві двигуна, коли робоча суміш багата. Справність насоса контролюється по витраті повітря. Безпосередній контролю над складом вихлопних газів не застосовується через високу вартість вимірювального устаткування. У табл. 2.9 наведено дані про параметрах сучасних датчиків витрати рідин і газів.

Датчики витрати мають принцип дії, заснований на вимірі однієї з наступних параметрів: кута відхилення вітрильною заслінки чи швидкості обертання турбіни, що у потоці середовища (рідини чи газу); частоти обертання вихрових потоків за розсікатором; падіння середовища після проходження нею перешкоди (дроселі); зміни температури що у потоці середовища нагрітого тіла.

По виду котру видають інформації датчики витрати рідин і газів поділяють на дві групи — на витратоміри і мас метри.

► Якщо витрата рідини чи газу (наприклад повітря) визначається за обсягом пропущеній середовища, то датчик називається об'ємним разхідомером. До таких датчиків ставляться витратоміри повітря для автомобільних систем впорскування бензину. Натомість витратоміри повітря поділяються на механічні — з круглим плаваючим ротаметром; потенціометричні — з вітрильною вимірювальної заслінкою; вихрові (датчики Кишені) — з роз сікачем повітряного потоку, виконує функцію генератора повітряних завихрень, частота чи варіації тиску у яких несуть інформацію про обсяг пропущеного повітря. При вимірі витрати рідини (наприклад бензину) частіше застосовуються простіші витратоміри з обертовою турбіною в рухливому потоці, за частотою обертання турбіни визначається обсяг пропущеній рідини. Оскільки обсяг рідин під впливом температури змінюється незначно, те з невеличкий похибкою вважатимуться, що значенням цього параметра відповідає реаліям і маса (вагу) рідини.

► Якщо витрата текучої середовища (рідини чи газу) визначається безпосередньо щодо маси, то вимірювальний датчик називається массметром. Массметри, на відміну витратомірів, видають якісніший метрологічну інформацію. Особливо це теж стосується повітряних массметрів, т. до. обсяг газоподібних середовищ, на відміну рідин, значною мірою залежить від температури і тиску. Так було в разхідометрах повітря, що працюють у системах впорскування бензину, доводиться встановлення додаткових (коригувальні) датчики температури і тиску в атмосферному повітрі. Массметри в системах впорскування працюють без таких датчиків. Основний принцип дії повітряних массметрів ґрунтується на застосуванні платинової нитки, розігрітою електричним струмом, як датчика інформації силу-силенну який струменіє повітряного потоку, охолоджуючого розігріту нитку. Такий принцип виміру маси повітря прийшов у техніку з метеорології і називається термоанемометричним. Термоанемометричний массметр, і навіть всі вищеописані витратоміри, крім датчиків Кишені, докладно описані у [3]. 2.4.3. Датчик Кишені Датчики Кишені ставляться до вихровим росхідомером повітря. Якщо вузький стрижень (розсікач) розмістити впоперек рівномірного повітряного потоку, то "за стрижнем почнуть утворюватися завихрення. Принцип роботи датчика Кишені ґрунтується на вимірі частоти обертання вихрових потоків, утворювані за поперечним стрижнем серед всмоктуваного повітря. Швидкість V потоку повітря визначається рівнянням:

де d — константа, що залежить від геометрії стрижня; St — критерій подоби невстановлених рухів мінливих середовищ (число Струхаля) для конструкцій автомобільних датчиків витрати повітря St= 0,23);/— частота обертання вихрових потоків (генерації вихорів). По частоті виявляють швидкість До, потім відомому поперечному перерізу вхідного каналу датчика — обсяг повітря. Частоту генерації вихорів визначають ультразвуковим методом чи з варіаціям тиску.

Рис. 2.14 Ультразвуковий датчик Кермана

► У ультразвукових датчиках (рис. 2.14) частоту генерації вихорів визначають по доплеровскому зрушенню частоти ультразвукової хвилі (зазвичай 50 кГц) у її розсіянні що просувалася середовищем (потоком повітря).

Рис. 2.15. Датчик Кармана з виміром варіацій тиску

► Датчики Кармана з урахуванням підрахунку числа вихорів по варіаціям тиску набагато дешевше. Вони напівпровідниковий, чутливий до змін тиску елемент розташований безпосередньо за вихорі що створює стрижнем (розсікачем). Вихор, з'являється за стрижнем, викликає зміна тиску, яке в електричний сигнал, що надходить у ЭБУ двигуна. Конструкція такого датчика показано на рис. 2.15. Він з формувача ламінарного потоку (ламінатора) на вході, трикутного поперечного стрижня (розсікача) — генератора вихорів і ємнісного датчика тиску. У корпусі також розміщені датчики температури і барометричного тиску (на рис. 2.15 показані) визначення маси що надходить повітря з його обсягу. На холостому ходу датчик видає сигнал із частотою близько 100 гц, за цілковитої завантаженні двигуна — близько 2000 гц. 2.5. Датчики складу вихлопних газів Процес спалювання палива описується рівнянням:

У ідеальному разі, коли склад ТВ-суміші стехіометричний (л=1), під час спалювання 1 кг (1 л) палива й 14,7 кг (10 м3) повітря утворюються вода і двоокис вуглецю. Ці речовини нетоксичні. Але навіть за стехиометричнім складі ТВ-суміші її згоряння здійснюється в повному обсязі й утворяться токсичні речовини. Згоряння багатою суміші {X < 1) призводить до появи надлишкового кількості ЗІ, Н2 і СП, бідні суміші (X > 1) призводять до утворення NOx, 02. На сучасних автомобілях шкідливі компоненти вихлопних газів нейтралізуються. Майже будь-яку систему нейтралізації містить у собі датчик (або двоє датчика) концентрації кисню, що у англомовної літературі називається лямбда-зондом (Х-зонд).