Инструментальная система

Приборы и датчики

Введение

Инструментальные системы автомобилей достигли такого уровня развития, что стали предметом для самостоятельного изучения. В этой главе рассказывается о некоторых основных принципах построения инструментальных систем и о связях данной системы с другими автомобильными системами; приведены конкретные примеры таких связей. Можно сказать, что инструментальная система «по определению» должна преобразовывать некие переменные величины удобный или пригодный к показу вил. Например, прибор уровня топлива покажет, обычно в аналоговом виде, наличие топлива в топливном резервуаре, инструментальная система не всегда связана с измерительным прибором или индикатором считывания. Во многих случаях система целиком может использоваться только для того, чтобы управлять всего лишь индикатором предупреждения. Однако если бы индикатор предупреждения о низкой температуре снаружи автомобиля, например, не загорелся в нужное время, то могла бы возникнуть опасной ситуация. Поэтому система должна работать по определенным заданным стандартам. В этой главе рассказывается об инструментальных системах транспортного средства, и обсуждаются проблемы выбора или проектирования данных систем. Неотъемлемой частью инструментальной системы являются датчики, и, может быть, сейчас стоит вернуться к некоторой информации из гл. 2, в которой приведена подро6ная информация о датчиках.

Датчики

Чтобы не увеличивать чрезмерно объем этого раз­ дела, ниже будут рассматриваться только электрические датчики, связанные с эксплуатацией транспортною средства. Датчики используются в транспортном средстве во многих целях. Например, термистор температуры хладагента используется, чтобы предоставить данные для системы управления двигателем, а также для водителя (через соответствующий индикатор). В табл. I3.I при­ веден список измеряемых величин вместе с типичными датчиками современных транспортных средств. На рис. 13.1 показаны некоторые из датчиков, перечисленных в табл. 13.1.

Приборы теплового действия

Приборы теплового действия, идеальные для индикации уровня топлива и температуры двигателя, появились на автомобилях много лет назад. Они продолжают использоваться до сих нор по причине их простой конструкции и присущего им свойства «теплового» демпфирования. Работа прибора основана на нагреве электрическим током биметаллической полосы. Ток течет через нагревательную обмотку катушки, расположенной на биметаллической полосе, и выделяемое тепло заставляет полосу изгибаться. Биметаллическая полоса связана с указателем. Степень изгиба полосы пропорциональна теплу, которое, в свою очередь, пропорционально текущему току. При условии, что датчик может менять свое сопротивление пропорционально измеряемой величине (например уровню топлива), прибор покажет правильное значение, если он был предварительно откалиброван для этой задачи. Типичный тепловой прибор показан на рис. 13.2. Присущее прибору свойство демпфирования создается за счет медленной скорости теплового воздействия на биметаллическую полосу, которое заставляет стрелку очень медленно перемешаться в новое положение. Как говорит, у таких приборов большая постоянная времени. Это — специфическое преимущество, необходимое для того, чтобы показывать правильный уровень топлива. Поскольку переменный резистор » топливном баке перемещается за счет колебаний топлива, обусловленных движением транспортного средства, сели прибор был бы в состоянии реагировать очень быстро, то стрелка постоянно перемешалась. В тепловом при­ боре значения мгновенных уровней за период постоянной времени прибора усредняются, и в результате может быть получено относительно точное показание. Некоторые тепловые топливные расходомеры, приводимые в действие с помощью электроники, демпфируются системой управления и еще большей степени.

Приборы теплового типа используют переменный резистор к поплавок в топливном баке или термистор о рубашке охлаждения двигателя. На рис. 13.3 показана схема этих двух приборов. Сопротивление датчика топливного бака может быть сделано нелинейным, чтобы уравновешивать любой нелинейный отклик прибора. Сопротивление датчика максимально, когда топливный резервуар пуст.

Требуется также большая постоянная времени источника напряжения, чтобы предотвращать изменения напряжении питания прибора, отрицательно влияющие на достоверность показаний. Если бы напряжение приборов увеличилось, текущий так тоже вырос, и, следовательно, приборы давали бы завышенные показания. Большинство стабилизаторов напряжения— простые цепи на основе диодов Зенера (рис. 13.4).

Приборы с перемещением железных элементов

Прибор с перемещающимся железным сердечником появился на автомобилях раньше, чем прибор теплового действия, но и сейчас он пользуется популярностью для некоторых приложений.

На рис. 13.5 показана схема и принцип приборной системы на базе пере мешающегося железного сердечника. В данном приборе используются два небольших электромагнита, которые воздействуют на миленький якорь из мягкого железа, связанный со стрелкой. Якорь устанавливается между сердечниками электромагнитов в положение, которое зависит от их магнитной силы. Магнитные поли г» каждом сердечнике изменяются одновременно с изменениями сопротивлении датчика, и. следовательно, стрелка перемешается. Этот тип прибора реагирует на изменения очень быстро (он имеет малую постоянную времени) и склонен к раскачиванию при движении транспортного средства. Чтобы уменьшать этот эффект, может использоваться внешнее демпфирование. Резистор R, балансирует сопротивление датчика топливного резервуара. Когда резервуар наполовину полон, сопротивление датчика будет равным сопротивлению К,. При этом значении схема уравновешена. Сопротивление датчика максимально, когда бак полон.

Воздушно-магнитные приборы

Действие воздушно-магнитных приборов основано на том же самом принципе, что и у стрелки компаса, устанавливающееся вдоль линии магнитного поля. Стрелка прибора присоединена к очень маленькому постоянному магниту. Каждая из трех катушек создаст свое магнитное поле. Магнит стрелки установится в соответствии с суммарным магнитным полем этих грех катушек. Текущий ток и число оборотов провода (ампер-витки) определяют силу магнитного потока, созданного каждой катушкой. Поскольку число витков постоянно, ключевым фактором является ток. На рис. 13.6 показаны принципиальное устройство воздушно-магнитного прибора и схема его использования в качестве температурного индикатора. Слева располагается балластный резистор, ограничивающий максимальный ток, а резистор калибровки используется для калибровки шкалы. Термистор выполняет функции температурного датчика. По мере увеличения сопротивления термистора ток во всех трех катушках изменится. Ток через катушку С возрастет, а ток в катушках Л и В уменьшится. Суммарное поде перемещает магнитный якорь. Воздушно-магнитный прибор имеет множество преимуществ. У него почти мгновенная реакция на возмущение, и поскольку стрелка устанавливается в соответствии с результирующим магнитным полем, она не будет перемешаться при изменении положения автомобиля. Прибор может быть устроен так, чтобы даже после выключения показывать последнее положение, или, если используется маленький магнит «отталкивания», стрелка возвратится к своему нулевому положению. Изменение напряжения в системе одинаково влияет на работу всех трех ...пушек, изменения тока взаимно уравновешиваются, устраняя необходимость в стабилизации напряжения. Отметьте, что работ данного прибора аналогична работе прибора с перемещением железного сердечника.

Другие типы приборов

Варна ты любого из вышеупомянутых типов приборов могут быть использованы, чтобы предоставить водителю необходимую информацию, напри­ мер, напряжение в сиги или давление масла. Приборы, показывающие скорость движения или скорость вращения двигателя, должны реагировать на изменения очень быстро. Многие из систем теперь используют дли этой цели шаговые двигатели. хоти в некоторых ос тлись спидометры, приводимые в действие обычным тросом. На рис. 13.7 показана блок-схема спидометра, который использует амперметр в качестве показывающего прибора. В этой системе используется датчик на основе блокируемого генератора колебаний. который создаст сиг нал постоянной амплитуды лаже на очень низкой скорости. Частота сигнала пропорциональна скорости автомобиля. Датчик приводится в действие от коробки передач или ведущей оси. Схема состоит, во-первых, из триггера Шмидта, который формирует сигнал и подавляет любой шум, наводимый и проводах. Одновибратор здесь используется, чтобы генерировать сигналы постоянной формы пропорционально импульсам, которые поступают от генератора импульсов. Перемещающаяся катушка при­ бора показывает среднее число импульсов. Это усредненное значение зависит от частоты входного сигнала, который, в свою очередь, зависит от скорости транспортного средства. Одометр приводится в действие шаговым двигателем, который управляется выходным сигналом с делителя и усилителя мощности. Работа шагового мотора должна быть откалибрована с помощью деятеля. Фактически. спидометр может быть откалиброван в любом транспортном средстве изменением задержки времени одновибратора (см. гл. 2).

Система тахометра подобна системе спидометра. В этом приборе обычно используется импульс от первичной обмотки катушки зажигания. На рис. 13.8 показана типичная блок-схема тахометра.