ČIDLA, SNÍMAČE, OVLÁDACÍ PRVKY

Transkript

1 ČIDLA, SNÍMAČE, OVLÁDACÍ PRVKY Ovládací prvky U motorových vozidel se používá celá řada zařízení, která jsou ovládána přímo nebo nepřímo různými druhy spínačů, případně i samočinně podle údajů různých čidel a snímačů. Protože spínače používané u motorových vozidel pracují jen s malým napětím, nejvýše 24 V, prochází jimi v některých případech značně velký proud, jako je tomu např. u hlavního vypínače osvětlení vozidla. Příklad: zapnutí osvětlení - přední světla + obrysová a koncová + osvětlení značky + osvětlení přístrojů = 2 x x = 140 W. Z toho odebíraný proud v soustavě 12V: I = 140/12 = 11,7 A!! Z tohoto důvodu musí být všechny spínače otočné, páčkové, sklopné i jiné, konstruovány jako mžikové", tj. s velmi rychlým přerušením proudového obvodu. Jen tak lze zabránit vytvoření elektrického oblouku mezi kontakty, způsobujícího jejich opalování a podstatné snížení provozní spolehlivosti a doby života. Vedle nejčastějších spínačů jednopólových (ovládají pouze jeden obvod) se užívají různé konstrukce spínačů kombinovaných a sdružených. Nejběžnější jsou sdružené a kombinované vypínače a přepínače páčkové, v provedení tzv. pod volant". Ke složitějším spínačům kombinovaným vícepólovým, tj. spínajícím současně více než jeden elektrický obvod, patří zejména spínač stíračů a spínač varovných světel. K obecně složitějším spínačům patří i spínací skříňka. Vedle přímých ručně ovládaných spínačů se v elektrickém rozvodu motorových vozidel používají i nepřímo ovládané spínače, tzv. relé. Ke spínání pracovního, silového obvodu se využívá kontaktů ovládaných elektromagnetem. Tato konstrukce dovoluje nejen proudové odlehčení ručního spínače ovládacího obvodu, ale i použití nejjednodušších prvků automatizace. Relé tak patří k osvědčeným a přitom jednoduchým prvkům řídicích systémů. Podle funkce lze rozlišit relé spínací, přepínací nebo i rozpínací, viz obr. 1. Obr. 1 Relé elektromagneticky ovládané spínače s kontakty A spínacími, B přepínacími, C vypínacími Pro některé zvláštní účely, např. ovládaní složitějších soustav, se vyrábějí i relé sdružená, viz obr. 2. Obr. 2 Sdružená relé D nezávisle zapojených, E vzájemně propojených

2 Čidla a snímače Většina motorových vozidel je dnes vybavena celou řadou čidel a snímačů, které umožňují měření důležitých provozních veličin a jejich přenos na přístrojovou desku nebo k dalšímu zpracování, např. v řídicí jednotce. Čidlo je nejjednodušší provedení snímače, jehož signál o měřené veličině není nijak upravován nebo měněn na jiný signál. Čidla a snímače mohou sledovat měřenou veličinu a její změny průběžně nebo jen signalizovat určité stavy. K veličinám průběžně sledovaným patří např. teplota chladicí kapaliny, tlak mazacího oleje, dobíjecí proud, otáčky motoru, rychlost vozidla nebo množství paliva. Z hlediska mezních stavů se sleduje např. nedostatek brzdové kapaliny, pokles tlaku oleje, stav parkovací brzdy, zapnutí bezpečnostních pásů či překročení jisté rychlosti apod. Ve většině případů obou skupin se jedná o elektrické měření neelektrických veličin. Jejich příslušné snímače jsou potom nejen čidlem, ale i převodníkem veličiny neelektrické (teplota, tlak, poloha apod.) na veličinu elektrickou. Vlastní čidla pracují na principu pneumatickém, hydraulickém, elektrickém apod. Výstupní elektrický signál snímače může být analogový (spojitý) nebo digitální (číslicový) a může být zpracováván přímo nebo uložen do paměti řídicí jednotky. Základní rozdělení snímačů je na aktivní a pasivní a z hlediska kontaktu s měřeným objektem mohou být snímače obou skupin dotykové a bezdotykové. Aktivní snímače se při působení neelektrické veličiny chovají jako zdroj elektrické energie, např. snímače termoelektrické (termočlánky), piezoelektrické, indukční apod. Pasivní snímače naopak vyžadují k činnosti zdroj energie a při působení sledované veličiny pouze mění některé své parametry. Kontaktová čidla Jsou vlastně nejjednodušším případem odporového snímače. Při změně sledované neelektrické veličiny dochází ke skokové změně odporu čidla v okamžiku sepnutí nebo rozepnutí jeho kontaktů. Vstupní veličina zde není měřena, pouze je indikován její stav. Působením sledované veličiny dochází ke změně polohy kontaktu, čímž dochází ke změně odporu obvodu. Nejjednodušší provedení jsou kontakty zdvihové, obr. 3a nebo jsou oba kontakty pevné a pohyblivý je kontaktní můstek, obr. 3b. Obr. 3 Provedení kontaktových čidel: a) pohyblivý kontakt b) pohyblivý můstek Protože rozvod vozidel je nejčastěji jednovodičový, jsou kontaktní čidla pro použití v motorových vozidlech obvykle provedena tak, že jeden z kontaktů je přímo spojen s kostrou, a druhý je izolován. Těchto čidel se používá zejména k signalizaci stavu určitého zařízení v zapojení do jednoduchého obvodu s kontrolní žárovkou nebo svítivou diodou. Příklad čidla výšky hladiny brzdové kapaliny je na obr. 4. V některých případech ovládají kontaktní čidla i jiná zařízení vozidla, např. zpětný světlomet nebo brzdová světla. Obr. 4 Čidlo výšky hladiny, např. brzdové kapaliny. 1 plovák, 2 táhlo, 3 kontaktní můstek, 4 konektory, 5 víčko nádobky, 6 pevné kontakty, 7 nádobka

3 Odporové snímače polohy Jednoduchý a spolehlivý snímač k průběžnému sledování polohy je proměnný rezistor v zapojení jako měřicí potenciometr nebo reostat. Působením měřené neelektrické veličiny se mění poloha pohyblivého kontaktu (jezdce) vůči odporové dráze, která je přímočará nebo kruhová. Vhodnou konstrukcí této dráhy lze poměrně snadno dosáhnout různého funkčního průběhu mezi elektrickým odporem a polohou jezdce. Použití potenciometrického snímače je typické např. pro měření obsahu paliva v nádrži, obr. 5. Obr. 5 Snímač výšky hladiny paliva v nádrži (vlevo) 1 odporová dráha, 2 jezdec, 3 pevná vzpěra, 4 rameno, 5 plovák Zapojení odporového snímače jako potenciometr - dělič napětí (vpravo) Celkový odpor R odporové dráhy potenciometru je jezdcem rozdělen na části R 1 a R 2. Napětí zdroje přivedené na potenciometr je U a výstupní napětí je U 2. R2 Platí: U 2 = U, kde U je konstantní a celkový odpor dráhy R 1 + R 2 také, takže velikost R1 + R2 výstupního napětí je dána pouze polohou jezdce x (velikostí R 2 ). Obr. 6 Zapojení odporového snímače jako proměnný rezistor (reostat) Při zapojení proměnného rezistoru jako reostatu, obr. 6, se v závislosti na poloze jezdce mění velikost proudu v obvodu, měřená např. ampérmetrem A. Odporové snímače teploty Pro měření teplot se nejčastěji používají odporové snímače polovodičové, termistory, nebo odporové snímače kovové. Termistor je polovodičová součástka s výraznou, nelineární závislostí odporu na teplotě. Pokud odpor termistoru s rostoucí teplotou stoupá, nazývá se pozistor, pokud naopak klesá, jedná se o negastor. V praxi se běžně používají jen negastory pod vžitým označením termistor. Kromě nelineární charakteristiky (obr. 7) je nevýhodou termistoru i časová nestabilita odporu a značné výrobní tolerance. Výhodou je nízká cena.

4 Obr. 7 Charakteristika odporového snímače teploty: a) kovový (Pt 100) b)termistor (negastor) Pro přesná měření teploty se používají odporové teploměry kovové, nejčastěji odporové čidlo Pt 100. Snímač se skládá z keramického tělíska na kterém je navinut tenký platinový drát s elektrickým odporem 100 Ω při teplotě 0 C. V obou případech odporových snímačů se teplota měří v nejjednodušším případě tak, že snímač je zapojen do obvodu s konstantním proudem a napětí na snímači pak odpovídá určité teplotě. Nevýhodou je, že snímačem smí protékat jen velmi malý proud (1 až 5 ma), aby se snímač vlastními ztrátami neohříval, což by značně zvětšovalo chybu měření. Obr. 8 Konstrukce termistorového snímače teploty 1 termistor, 2 těleso snímače, 3 - izolační průchodka, 4 konektor, 5 těsnící podložka, 6 pružina, 7 izolační vložka Odporové snímače proudění Pro měření množství proudícího vzduchu, např. nasávaného do motoru, se často používá odporový snímač proudění neboli anemometr se žhaveným drátkem, případně se žhavenou vrstvou (filmem). Vlastním čidlem tohoto snímače je teplotně závislý odpor, tvořený nejčastěji platinovým drátkem o průměru 5 až 7 µm, který je napnut mezi dvojicí držáků, obr. 9. Drátek je procházejícím proudem vyhříván na teplotu vyšší než je teplota měřeného prostředí. Při měření pak nastává rovnováha mezi dodanou elektrickou energií a tepelnými ztrátami přestupem tepla z čidla do okolního prostředí (ochlazováním drátku). Měřicí odpor R s je vyhříván konstantním proudem I a ochlazován vzduchem proudícím rychlostí v. Tepelné ztráty na odporu R s se mění s rychlostí proudění v. Změna napětí U je pak měřítkem změny rychlosti proudění v. Schéma zapojení je na obr. 9.

5 Obr. 9 Odporový snímač proudění a schéma zapojení 1 těleso čidla, 2 držák drátku, 3 kovový drátek Elektromagnetické snímače U motorových vozidel se používají nejčastěji k měření úhlové rychlosti otáčivého pohybu, otáček nebo ke sledování polohy. Jsou jednoduché a tudíž i spolehlivé a proto se hojně používají. U těchto elektromagnetických snímačů se mění magnetický tok změnou magnetického odporu magnetického obvodu. Výstupní napětí snímače je úměrné rychlosti pohybující se feromagnetické části. Jedno z běžných provedení snímače s otevřeným magnetickým obvodem pro měření otáček je na obr. 10. Magnetický tok se zde mění tím, že otáčením kola se zuby, které je z magneticky měkkého materiálu, se mění velikost vzduchové mezery mezi kolem a snímačem. Frekvence tohoto napětí je úměrná otáčkám a počtu zubů. Při vhodně voleném počtu zubů např. 60 a době čítání impulsů snímače např. 1 s, ukazuje přístroj (čítač impulsů) přímo otáčky za minutu. Amplituda snímače je úměrná otáčkám, pro vyhodnocování je však méně vhodná. Obr. 10 Elektromagnetický (indukční) snímač 1 permanentní magnet, 2 držák snímače, 3 skříň motoru, 4 pólový nástavec, 5 cívka, 6 ozubení (např. věnec setrvačníku) Optoelektrické snímače Tyto snímače mají zdroj viditelného světla nebo polovodičovou diodu (GA), která září v infračervené oblasti. Záření ze zdroje, dopadající na fotodiodu, nebo fototranzistor (PT) je přerušováno vhodnou clonou. Na obr. 11 je znázorněn optoelektrický snímač pro elektronické zapalování. Impulsy z tohoto snímače mají konstantní amplitudu, nezávislou na otáčkách. Obr. 11 Optoelektrické, bezdotykové snímače elektronicky řízeného zapalování

6 Snímače s Hallovým generátorem Tento snímač má obdobné vlastnosti jako snímač optoelektrický, ale není citlivý na znečištění. Princip Hallova jevu spočívá v tom, že na stranách polovodičové destičky orientované kolmo ke směru stejnosměrného proudu, který destičkou protéká, vzniká napětí, působí-li na destičku magnetické pole. Tímto napětím lze řídit jednoduchý klopný obvod. Hallův generátor i s klopným obvodem je technologií výroby integrovaných obvodů vytvořen na jedné polovodičové destičce a zapouzdřen. Pokud na tento snímač začne působit magnetické pole určité velikosti, dojde ke změně stavu klopného obvodu a na výstupních svorkách snímače se objeví napětí. Hallův snímač se často používá jako generátor pulsů pro elektronické zapalování. Obr. 12 Snímač zapalování s Hallovým generátorem Deformační snímače Tento typ snímačů je nejčastěji používán k měření tlaků kapalin i vzdušin. Principem je deformace určitého prvku působením síly vyvolané rozdílem tlaků. Snímače lze použít k měření absolutních tlaků nebo diferenčních tlaků, např. přetlaku nebo podtlaku ve vztahu k atmosférickému tlaku. Běžně je používán např. snímač podtlaku v sacím potrubí motoru, který odpovídá přibližně zatížení motoru. Na obrázku 13 je jedno z provedení podtlakového snímače, na jehož membránu, uzavřenou v pouzdře, působí z jedné strany atmosférický tlak a ze strany druhé tlak v sacím potrubí. Membrána je vychylována působením vyššího atmosférického tlaku a její pohyb je snímán vhodným snímačem polohy. Místo membrány může být použita křemíková destička (obr. 14), na které jsou vytvořeny čtyři tenzometry zapojené do můstku a zesilovač signálu. Působením tlaku se destička deformuje, odpory tenzometrů se mění, což vede k porušení rovnováhy můstku. Na výstupu zesilovače se proto objeví napětí úměrné deformaci destičky čili působícímu tlaku. Tento snímač o průměru asi 10 mm může být vytvořen přímo na desce plošných spojů a s místem měření spojen trubičkou. Obr. 13 Deformační snímač tlaku se snímačem polohy 1 pružná membrána, 2 přívodní trubice, 3 snímač polohy

7 Obr. 14 Membrána s měřicími elementy Mezi deformační snímače lze zahrnout i piezoelektrické snímače, využívající jevu, při kterém působením síly na některé materiály vzniká elektrické napětí. Základem snímače na obr. 15 je destička z barium-titanové keramiky, vykazující piezoelektrický jev. Uvedený snímač se používá jako snímač klepám, tj. silných tlakových změn ke kterým dochází při tzv. detonačním", pro motor velice škodlivým, spalování. Tlakové vlny ve spalovacím prostoru se přenášejí i na povrch motoru, kde jsou snímány jako abnormální vibrace, resp.deformace. Obr. 15 Piezoelektrický snímač tlaku (klepání při detonačním spalování) firmy Bosch 1 těsnící tmel, 2 krystal, 3 elektrody, 4 konektor Lambda sonda Lambda sonda je zcela zvláštní druh snímače, který slouží k měření obsahu zbytkového kyslíku ve výfukových plynech spalovacího motoru, což je kritérium pro posuzování dokonalosti spalování. Vlastní čidlo snímače, (obr. 16), je z pevného keramického elektrolytu a tvoří galvanický článek, vznikající na přepážce, oddělující dva prostory s různým obsahem kyslíku, prostředí srovnávacího (vzduch) a měřeného (výfukové plyny). Obsah kyslíku ve vzduchu je konstantní - 20,89 % (objemových). Pevným elektrolytem je obvykle oxid zirkoničitý s přísadou oxidu vápenatého nebo Y 2 O 3. Tato keramická látka má ve struktuře velké množství bodových defektů, které umožňují pohyb iontů jejich krystaly a tím i přenos elektrického proudu. Vzhledem k agresivitě prostředí bývají elektrody platinové. Obr. 16 Lambda sonda snímač obsahu volného kyslíku ve výfukových plynech (obrázek Bosch) 1 - krytka s výřezy, 2 těleso snímače, 3 - pouzdro, 4 keramická vložka, 5 průchodka, 6 keramické těleso sondy, 7 vodivá vložka, 8 pružná podložka, 9 vodič

8 Obr. 17 Napěťová charakteristika lambda sondy, tj. závislost napětí na součiniteli přebytku vzduchu. Emise škodlivin bez použití katalyzátoru jsou naznačeny přerušovaně, s použitím katalyzátoru plně Napěťová charakteristika sondy, obr. 17, umožňuje s využitím elektronického obvodu ve zpětnovazební smyčce regulovat složení směsi u zážehových (benzínových a plynových) motorů na směšovací poměr lambda = 1, tj. na ideální, stechiometrickou směs (na 1kg paliva 14,7 kg vzduchu). Odtud také plyne často používaný název sondy. Dešťový snímač Dešťový snímač pracuje na optickém principu: světelný paprsek známé intenzity je přes sklo veden několikanásobnou reflexí uvnitř skla (obr. 18). Snímač je umístěn uprostřed čelního skla na vnitřním zpětném zrcátku. Na určitém místě je veden světelný paprsek optickým zrušením vazby převeden do měřícího systému, kde se měří intenzita zbytkového světla. Vlivem postříkáním povrchu skla dešťovými kapkami se část světelného paprsku úplně neodrazí, nýbrž vystupuje ze skla ven. Ztráta intenzity, která přitom vzniká, je měřítkem postříkání povrchu čelního skla. V závislosti na tomto postříkání se zapínají stěrače. Obr. 18 Princip dešťového snímače (Ford/Bosch): 1 - clona, 2 -fotodioda, 3 - vyhodnocovací elektronika, 4 - světelná dioda (LED), 5 - dešťová kapka, 6 - světelný paprsek, 7 - čelní sklo

9 Čidlo znečištění světlometu (obr. 19) sestává ze zdroje světla (světelná dioda LED) a přijímače světla (fototranzistor). Nachází se na vnitřní straně rozptylové plochy světlometu v zóně čištění, avšak ne v přímé dráze paprsku světlometu. Při čistém nebo dešťovými kapkami pokrytém rozptylovém sklu prochází měřicí světlo, které září v infračervené oblasti, bez podstatného odrazu nerušené ven. Když avšak měřicí světlo zasáhne na vnějším povrchu rozptylového skla částečku nečistoty, tak se úměrně stupni znečištění rozptýlí zpátky do přijímače. Čisticí zařízení světlometů se pak při zapnutých světlometech automaticky spustí. Obr. 19 Čidlo znečištění světlometu: 1 - částečka nečistoty 2 - rozptylová plocha světlometu 3 - dešťové čidlo 4 -zdroj světla 5 - přijímač světla