Snímače otáček. Induktivní snímač

Transkript

1 Snímače otáček Induktivní snímač Současné induktivní snímače se skládají většinou z tyčového magnetu s magneticky měkkým pólovým nástavcem, na kterém je umístěna indukční cívka se dvěma vývody. Otáčí-li se před tímto snímačem feromagnetické ozubené kolo nebo jiný obdobně konstruovaný rotor, indukuje se v cívce přibližně sinusové napětí. Na rotoru může být umístěna jedna nebo více vztažných značek (chybějící zuby). Nevýhodou výstupního signálu je, že jeho napětí značně kolísá s otáčkami, takže minimální použitelný signál je při cca 30ot/min, zatímco ve vysokých rychlostech může signál dosahovat až přes 100 V, což je pro elektroniku obtížněji zpracovatelné. Obvyklá vzduchová mezera bývá v rozmezí 0,8 až 1,5 mm a výrazně na ní závisí amplituda signálu. Typický průběh signálu při snímání otáček klikové hřídele s vyznačením charakteristických znaků:

2 Jiné časté použití induktivního snímače je u zařízení pro zamezení blokování brzd ABS. Zde jsou snímače upevněny u kol vozidla a jejich signál je iniciován rotací ozubeného nebo děrovaného kotouče, sledujícího odvalování kola na vozovce. Standartní průběh signálu je ničím nepřerušovaná sinusovka. Až v okamžiku, kdy signál klesne na nulu, zaregistruje řídicí jednotka ABS zablokovaný stav kola a dá popud k uvolnění tlaku v dané větvi brzdové soustavy. Kolo se tím znovu roztočí a signál se obnoví. Signální kola ABS jsou nejčastěji namontována u kotouče nebo v bubnu brzd. Hallův snímač Princip činnosti Hallova snímače je založen na Hallově jevu, což je vznik napětí v polovodičové destičce protékané proudem za současného působení magnetického pole: Je zřejmé, tento snímač potřebuje ke své činnosti napájecí napětí. Je tedy snímačem aktivním(na rozdíl od pasivního snímače induktivního). Samotné Hallovo napětí je v řádu milivoltů, musí být tedy v elektronickém obvodu snímače zesíleno a vytvarováno do použitelného impulzu. Výstupní signál ve tvaru obdélníku s konstantní amplitudou je ideální pro další zpracování v obvodech řídicí jednotky. Měří-li Hallův snímač např. otáčky vačkové hřídele v rozdělovači, mění se s jeho otáčkami frekvence signálu, nikoli jeho amplituda. Velkou výhodou Hallova snímače proti induktivnímu je skutečnost, že dokáže sledovat i otáčky blížící se nule. Lze jej dokonce použít i pro sledování statické polohy nějakého dílu, jenž se nachází v jedné poloze a určitým popudem se posune do druhé polohy. V praxi používané Hallovy snímače mají nejčastěji podobu tzv. magnetické závory. Polovodičová destička s obvodem zpracování signálu tvoří tzv. Hallův integrovaný obvod (Hallův IO). Ten je umístěn proti permanentnímu magnetu. Mezerou mezi IO a magnetem prochází rotující clonka, spojená mechanicky s rotujícím dílem, např. hřídelkou rozdělovače. Pokud je mezera volná, magnetické pole naplno proniká do IO a signál snímače je maximální. Až se clonka dostane do mezery, všechen magnetický tok se uzavírá přes ni a signál snímače je nulový. Touto konstrukcí byl v minulosti s přechodem na tranzistorové zapalování nahrazen mechanický přerušovač v rozdělovači. Počet výřezů v hrníčkové cloně odpovídal počtu válců motoru. Aby byl identifikovatelný první válec, je jeden výřez clony o něco širší než ostatní. Řídicí jednotka tím dostává informaci o poloze pístů v jednotlivých válcích.

3 Napětí signálu Hallova snímače bývá zpravidla 5 nebo 12V.

4 Hallův snímač v podobě tyčového snímače se používá jako snímač fáze, tedy jako zdroj informace pro řídicí jednotku motoru o poloze vačkové hřídele. Princip jeho činnosti je stejný jako v předchozím případě tedy využití Hallova jevu, ale konstrukční uspořádání je odlišné: Přiblíží-li se zub impulzního kola (7) k prvku snímače, změní se intenzita magnetického pole a vychýlí směr napájecího proudu v Hallově IO (6). Vzniklý signál o napětí několika mv je opět zpracován a na výstup odeslán ve tvaru b. Snímače teploty Snímač teploty motoru Tento snímač je namontován do okruhu chladicí kapaliny, aby řízení motoru mohlo z její teploty usuzovat na teplotu celého motoru. Měřicí rozsah je v intervalu zhruba od -40 do +130 C. Nejběžnější provedení má v pouzdru zabudován teplotně závislý rezistor (5) z polovodičového materiálu. Tento rezistor má obvykle charakteristiku NTC (Negative Temperature Coeffitient), tedy záporný teplotní koeficient, což znamená, že s rostoucí teplotou jeho odpor klesá. Je součástí napěťového děliče, napájeného napětím (5 nebo 12 V), jehož velikost ovlivňuje. V řídicí jednotce motoru je uložena charakteristika, která každé hodnotě tohoto napětí přiřazuje odpovídající teplotu motoru.

5 Snímač teploty vzduchu Tento snímač v sacím traktu snímá teplotu vzduchu nasávaného do motoru, s jejíž pomocí je možné ve spojení se snímačem tlaku přeplňování vypočítat hmotnost nasávaného vzduchu. V principu je stejný jako snímač teploty motoru (NTC), měřicí rozsah C. Ostatní snímače teploty Pokud jsou použity, vyskytují se také snímače teploty motorového oleje, snímač teploty paliva nebo snímač teploty spalin, které jsou rovněž typu NTC, výjimečně PTC Positive Temperature Coeffitient. Snímače tlaku Nejčastěji užívanými snímači tlaku v sacím potrubí a tlaku přeplňování jsou mikromechanické snímače. Jejich základem je tzv. měřicí buňka, což je křemíkový čip s vyleptanou membránou, na níž jsou nadifundovány čtyři roztažné rezistory. Wheatstonovo můstkové zapojení těchto rezistorů zajišťuje větší citlivost na změnu tlaku. Na membránu působí z jedné strany (viz obr.) měřený tlak (p), z druhé referenční vakuum(3). Změnou měřeného tlaku se membrána prohýbá, na což reagují rezistory změnou svého odporu. Tím se také mění napětí na rezistory přivedené a to je měřítkem pro tlak působící na membránu. Elektronika pro zpracování signálu je integrována na čipu a má za úkol zpracovat signál do rozsahu 0.5V, které je vedeno do řídicí jednotky. Řídicí jednotka z tohoto napětí vypočítává měřený tlak. Tento typ snímače lze použít také pro měření okolního tlaku (vliv nadmořské výšky) nebo měření tlaku oleje či paliva v nízkotlaké části (zde je montován v nebo na palivovém filtru).

6 Pro měření vysokého tlaku, např. nafty v Common Railu, tlakovém zásobníku benzínu nebo tlaku brzdové kapaliny jsou snímače v principu velmi podobné, jen membrána je vyrobena z oceli a rezistory jsou na ni napařeny. Snímač polohy škrticí klapky Tento snímač snímá úhel natočení škrticí klapky sání zážehového motoru. Je to potenciometrický snímač s jednou nebo dvěma lineárními charakteristikami. Raménka spojená s hřídelkou škrticí klapky přejíždějí svými běžci podélně po odporových drahách. Přitom převádí úhel natočení klapky na jemu úměrný poměr napětí U A / U V (viz obr.), kde provozní napětí U V = 5 V. U systémů, kde je tento snímač též hlavním snímačem zatížení (Mono-Motronic), je dosaženo potřebné přesnosti pro oblast částečného i plného zatížení použitím dvou potenciometrů se dvěma rozsahy úhlů.

7

8 Snímač hmotnosti nasávaného vzduchu Měřiče hmotnosti nasávaného vzduchu patří k základní výbavě moderních zážehových a vznětových motorů. Jsou nejrozšířenějším snímačem jedné z nejdůležitějších provozních veličin, kterou je zatížení motoru. Nejčastěji užívaným měřičem je snímač s vyhřívaným filmem. Jeho základem je plastová trubice, kterou protéká vzduch do sání motoru. V jeho proudu je umístěn měřicí element. Součástí tohoto elementu je vyhodnocovací elektronika, vytvářející výstupní napěťový signál, jehož velikost je úměrná hmotnosti nasávaného vzduchu. Princip činnosti je tento: keramická destička má na povrchu naneseno několik kovových plošek, tvořících rezistory( kovový film odtud název). Jedna z nich je elektricky vyhřívaná a zahřívá také měřicí rezistor na opačné straně destičky. Proud vzduchu tyto rezistory ochlazuje a to tím více, čím je jeho průtok větší. Regulační obvod má za úkol udržovat teplotu měřicího rezistoru stále o něco vyšší, než je teplota nasávaného vzduchu. Prochází-li měřičem nízký hmotnostní tok vzduchu, rezistory se ochlazují jen málo a k udržení teploty stačí malý vyhřívací proud. Stoupne-li tok (tedy hmotnost) vzduchu, je ochlazování intenzivnější a je nutné přidat vyhřívací elektrický proud, aby se teplota měřicího článku udržela. Na výstupu regulačního obvodu tak vzniká napětový signál, jehož velikost je přímo úměrná velikosti vyhřívacího proudu a tedy i hmotnosti nasávaného vzduchu. Starší typy snímačů Bosch mají označení HFM2, modernější mají označení HFM5 a mají oproti těm starším jednu zásadní vlastnost navíc dokáží rozlišovat i směr proudění vzduchu.

9 Lambdasonda Lambdasonda je v principu kyslíkový článek, schopný měřit koncentraci kyslíku ve sledovaném prostředí. Objevitelem tohoto principu byl už před více než sto lety německý fyzik a chemik Walther Nernst. Nernstův článek byl již dávno v minulosti používán pro měření koncentrace kyslíku při tavení kovů. Modifikované provedení tohoto článku dnes tvoří základ činnosti lambdasondy ve spalovacím motoru. Princip je tento: na keramickém materiálu z kysličníku zirkonu jsou umístěny platinové elektrody, z nichž jsou vyvedeny elektrické vývody ven z tělesa sondy. Jedna elektroda je vystavena účinkům spalin ve výfukovém potrubí, na druhou působí vzdušný kyslík atmosférického vzduchu. Jedna elektroda tedy vnímá konstantní koncentraci kyslíku ze vzduchu (což je asi 21%), druhá sleduje proměnnou koncentraci kyslíku ve výfukových plynech. Na této elektrodě dochází ke katalytickým reakcím, platinová elektroda funguje jako malý oxidační katalyzátor. Důsledkem toho je nulová koncentrace kyslíku na elektrodě vystavené spalinám při bohaté směsi. V důsledku koncentračního spádu mezi oběma elektrodami dochází k pohybu kyslíkových iontů keramickým materiálem mezi elektrodami. Výsledkem je rozdílný náboj na obou elektrodách a vznik napětí mezi nimi. Toto napětí má hodnotu v rozmezí od 0

10 V do 1 V. K dosažení iontové vodivosti keramického materiálu dochází až při teplotách kolem 350 C, optimální činnosti dosahuje sonda při teplotě zhruba 600 C. K zajištění rychlého dosažení správné provozní teploty jsou dnes sondy vybaveny vyhříváním. Sondy, v nichž je měřicí článek a topné těleso integrováno do jednoho celku, se nazývají planární. Řeckým písmenem lambda λ označujeme součinitel přebytku vzduchu ve směsi s benzínem. Je-li λ >1, je ve směsi větší množství kyslíku, směs je chudá. Naopak je-li λ < 1, je směs bohatá, kyslíku je málo. Při hodnotě právě λ = 1 je směs optimální z hlediska spalování a exhalačních účinků. Je to tzv. stechiometrický poměr (14,7 : 1). Pokud např. dojde při spalování v motoru ke změně z chudé směsi na bohatou, napětí na výstupu sondy prudce stoupne z hodnoty pod 200mV na hodnotu nad 800mV a stejně se bude sonda chovat i opačně. Smyslem regulace je udržovat bohatost směsi stále v rozmezí nejlepší účinnosti spalování a činnosti katalyzátoru (0,98<λ<1,01). U moderních motorů s přímým vstřikem benzínu do spalovacího prostoru však tento způsob regulace přestává stačit. Požadavky na složení směsi v rozsahu hodnot 0,8<λ<4 vedly ke vzniku tzv. širokopásmových lambdasond, které zajišťují měření složení směsi i ve velmi chudém režimu (vrstvená směs). Jejich konstrukce, funkce a zpracování signálu je výrazně složitější.

11 Zjednodušené schéma vnitřní struktury širokopásmové planární lambdasondy a její propojení s regulační elektronikou v řídicí jednotce (Bosch) Snímače klepání Snímače klepání jsou svým principem piezoelektrické snímače vibrací vhodné ke snímání kmitů šířících se tělesy. Ty se u motorů vyskytují jako klepání při nekontrolovaném spalování. Základem je piezokeramický prvek, na jehož vývodech při tlaku a rázech vzniká napětí, zpracovávané v řídicí jednotce. Reakcí řídicí jednotky je zpravidla snížení předstihu, dokud nedojde k zániku kmitů. Čtyřválcové řadové motory se vybavují jedním, 5 a 6 válcové dvěma a 8 a víceválcové motory i více snímači, montovanými obvykle na širší straně bloku motoru. Podmínkou správné funkce je předepsaný způsob montáže definovaným utahovacím momentem a předepsanou kvalitou dosedacích ploch.