2.2.4. 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. [3].

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. 2.8 по-казана 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. 2.8. 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∙ε/d, де А – площа обкладки, ε – діелектрична стала, d – відстань між обкладками, k - коефіцієнт, що залежить від конструкції давача. В якості чутливих елементів використовуються кремнієві або керамічні діафрагми.

На рис. 2.9 показаний ємнісний давач з кремнієвим чутливим елементом для вимірювання розрідження (Ford).

 

Рис. 2.9. 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. 2.10) витримує температури до 550 °С (більше, ніж п'єзоелектричний), робочий діапазон тисків 0 ... 1000 psi (7000 кПа) з перевантаженнями до 3000 psi.

Рис. 2.10. 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.