Forum Ford Club Polska

Sprawdzenie Numeru VIN

Wprowadź numer VIN, aby sprawdzić Historię Pojazdu

Sklep z częściami do Forda -  iParts.pl

Wróć   Forum Ford Club Polska > Forum Ogólne > Ford Garage > Techniczne ABC

Komunikaty

Dołącz teraz!
Zapraszamy do rejestracji!
Dołącz już teraz do największej społeczności miłośników Forda w Polsce. Zarejestruj się i uzyskaj pełen dostęp do wszystkich działów, tematów i opcji jakie oferuje forum!


Zamknięty Temat
 
Narzędzia wątku Przeszukaj ten temat
Stary 23-05-2012, 12:18   #1
Kobranocka
ford::average
 
Avatar Kobranocka
 
Imię: Piotr
Zarejestrowany: 01-05-2012
Skąd: Dąbrówka okolice Starogardu Gdańskiego
Model: MONDEO GHIA COMBI
Silnik: 2.0 TDCI 130KM
Rocznik: 2002/2003
Postów: 57
Domyślnie Rola czujników w sterowaniu pracą silnika - artykuł

Rozwój silników spalinowych jest ściśle związany z postępem w zakresie elektroniki pokładowej. Dlatego współczesne silniki spalinowe charakteryzują się coraz większą liczbą czujników. Podstawową ich rolą jest analiza i przetwarzanie mierzonych wielkości wejściowych na sygnały elektryczne, które są niezbędne w prawidłowej pracy silnika. By mogły przetwarzać wielkości mierzone przy jednoczesnym uwzględnieniu zakłóceń, czujniki wspomagane są przez coraz bardziej nowoczesne systemy sterowania (kalkulatory). Ich rolą jest interpretacja sygnałów oraz przetwarzanie ich na sygnały binarne, zrozumiałe dla mikroprocesora silnika. Układy elektryczne stosowane we współczesnych samochodach są zazwyczaj układami pojedynczymi, np. odpowiadają za przygotowanie mieszanki czy za zapłon. Oznacza to, że każde urządzenie sterujące ma swoje czujniki, których dane służą do sterowania lub regulacji danego układu. W celu zapewnienia odpowiednich norm emisji oraz coraz lepszych osiągów silniki spalinowe są coraz bardziej uzależnione od elektronizacji układów wtryskowych i zapłonowych.

Zadaniem układu zapłonowego jest wytworzenie iskry zapłonowej o odpowiedniej energii i we właściwej chwili zapłonu w celu prawidłowego zapalenia mieszanki paliwa z powietrzem. Im dokładniej wysterowany jest układ zapłonowy, tym osiągi i sprawność silnika są lepsze. W ten sposób silnik jest oszczędny i ekonomiczny, a emisja szkodliwych składników spalin - coraz mniejsza. W ostatnich latach cele stawiane układom zapłonowym są coraz wyższe, dlatego stykowo sterowane układy zapłonowe nie potrafi ły dłużej sprostać zakładanym im wymaganiom. Układy te wykluczały bowiem dalszy wzrost energii zapłonu, co było niezbędne dla coraz szybciej i oszczędniej pracujących silników o coraz wyższym stopniu sprężania. Postęp elektroniczny umożliwił bezstykowe sterowanie chwilą zapłonu, które charakteryzuje zachowanie precyzyjnego ustawienia tego momentu. Ogólne założenia w stosunku do odpowiedniego sterowania zapłonem uzyskano dzięki sterowaniu indukcyjnemu oraz wyzwoleniu impulsów za pomocą czujnika Halla. Podane wyżej rozwiązania są nadal stosowane w silnikach o małej pojemności. Wymagania w stosunku do tworzenia się mieszanki paliwa z powietrzem stają się z czasem coraz wyższe, dlatego zastosowanie dodatkowych czujników w układach wtryskowych jest już koniecznością. Podstawowym zadaniem układu wtryskowego jest dostarczenie mieszanki paliwowo-powietrznej i jak najlepsze dostosowanie jej składu do zmiany warunków pracy silnika. W celu zapewnienia coraz lepszego napełniania cylindra i równomiernego rozdziału powietrza na poszczególne cylindry stosuje się obecnie najczęściej układy z bezpośrednim wtryskiem benzyny.

Podpisy do rysunków:

Rys. 1. Rodzaje charakterystyk czujników: X – wielkość mierzona, Y – sygnał wyjściowy, 1 – charakterystyka ciągła liniowa, 2 – charakterystyka ciągła nieliniowa, 3 – charakterystyka nieciągła wielostopniowa, 4 – charakterystyka nieciągła dwustopniowa

Rys. 2. Widok czujnika indukcyjnego położenia wału korbowego (Źródło: Bosch)

Rys. 3. Sygnał czujnika indukcyjnego prędkości obrotowej silnika: Y – wartość napięcia wyjściowego [V], X – czas [ms], 1 – sygnał na zębie, 2 – sygnał przejścia przez wrąb międzyzębny, 3 – sygnał znaku odniesienia

Rys. 4. Zmiany napięcia i strumienia pola magnetycznego: w przypadku pojedynczego magnetycznego znakowania co obrót lub o okresowym charakterze przyrostowym. 1 – ząb, 2 – wrąb, 3 – progi przełączania, 4 – rozpoznawane miejsce zerowe, 5 – zbocze przygotowawcze, 6 – zbocze wyłączania i punkt włączania, 7 – punkt włączania, 8 – trzpień biegunowy, a – pojedyncze magnetyczne znakowane co obrót, b – okresowy charakter przyrostowy (Źródło: Bosch)

Pierwsze kroki
Początki zastosowania systemów sterowania silnikiem z wykorzystaniem podstawowych czujników sięgają późnych lat 80. (pierwszy był system Bosch Motronic w BMW 732i). Ich zadaniem jest sprawdzanie, interpretacja, regulacja, diagnozowanie oraz dostosowywanie warunków pracy poszczególnych elementów w celu osiągnięcia jak najbardziej efektywnej pracy silnika. Większość współcześnie stosowanych systemów ma funkcję samodiagnozy. Ma ona na celu wspomóc użytkownika w zlokalizowaniu usterki dzięki komputerowej pamięci „zamkniętej" w elektronicznym sterowniku. W nowoczesnych systemach samodiagnostyki stosuje się podsystemy zapewniające sygnalizację stanu bądź redundancje w przypadku np. uszkodzenia określonego czujnika lub mikrokomputera. System przełącza się w takiej sytuacji w stan pracy w trybie awaryjnym, zapewniając pobór niezbędnych parametrów z innych źródeł, np. z czujnika identyfikacji cylindrów bądź czujnika położenia wałka rozrządu, by podtrzymać pracę silnika. Należy nadmienić, że jeżeli system pracuje w trybie awaryjnym, a sterowanie wtryskiem i zapłonem przejmują timery, to praca w tym trybie jest bardzo nieekonomiczna pod względem osiągów i spalania.

Powszechnie stosowane czujniki przetwarzają nieelektryczne wielkości (fizyczne lub chemiczne) na wielkości elektryczne. Wielkości elektryczne interpretowane w odniesieniu do parametrów czujników należy rozumieć nie tylko jako napięcie, ale także jako czas trwania impulsu drgań elektrycznych, amplitudę natężenia, częstotliwość próbkowania, indukcyjność, pojemność lub rezystancję. Urządzenie peryferyjne, czyli czujniki wraz z elementami wykonawczymi, tworzą interfejs między pojazdem wraz z jego układami a urządzeniem przetwarzającym, elektronicznym sterownikiem. W celu dostosowania toru pomiarowego czujnika do postaci określonej przez sterownik stosuje się tzw. kondycjonery sygnałów, które są niezbędnym elementem czujników. Ze względu na ich funkcje i zastosowanie czujniki możemy podzielić na trzy podstawowe grupy: nadzorujące parametry pracy pojazdu (np. pokładowy układ diagnostyczny OBD), funkcyjne do zadań sterujących i regulujących oraz bezpieczeństwa i zabezpieczenia (np. ochrona przed kradzieżą). W stosowanych czujnikach wyróżnia się zasadniczo cztery podstawowe charakterystyki sygnałów wyjściowych w stosunku do wielkości mierzonych: ciągłe liniowe, ciągłe nieliniowe, nieciągłe wielostopniowe i nieciągłe dwustopniowe (rys. 1.). Zastosowanie charakterystyk liniowych jest dość powszechne w przypadku pomiarów o dużym zakresie, ponieważ wykazują one łatwość kompensacji i wzorcowania. Charakterystyki nieliniowe przypisywane są pomiarom o małym zakresie wartości, np. w silniku wykorzystuje się je do regulacji stechiometrycznej wartości składu mieszanki bliskiej λ = 1. Nieciągłe charakterystyki dwustopniowe stosuje się głównie do nadzorowania wartości granicznych. W przypadku gdy kompensacja staje się skomplikowana, wykorzystuje się specyfikę charakterystyk nieciągłych wielostopniowych w celu uzyskania właściwych odchyłek wartości granicznych. Rodzaje sygnałów wyjściowych czujników stosowanych do regulacji parametrów pracy silnika dzieli się na dwie zasadnicze grupy: analogowe (częstotliwość, napięcie itd.) oraz dyskretne (kodowanie binarne, kodowanie analogowe, kodowanie analogowo-cyfrowe). Zwiększająca się liczba stosowanych czujników w silniku ogranicza ich bezpieczną lokalizację, dlatego czujniki wystawiane są na coraz bardziej ekstremalne obciążenia. W celu zapewnienia odpowiedniej ochrony stosuje się zaawansowane metody zwiększające bezpieczeństwo, które wymagają wysokiego poziomu wiedzy dotyczącej techniki wykonywania osłon. Wymagania, jakie stawiane są współczesnym czujnikom, to przede wszystkim: duża dokładność, maksymalna niezawodność, miniaturyzacja z wykorzystaniem nanotechnologii i MEMS oraz niskie koszty wytwarzania.

Nano znaczy jednak wielki
Dzięki zastosowaniu nanotechnologii i systemów mikroelektronicznych współczesne czujniki są miniaturowych rozmiarów, ale jednocześnie są bardzo dokładne. Technologia MEMS pozwala umieścić w miniaturowej strukturze krzemowej urządzenia o niezwykle dużej funkcjonalności i niezawodności. Nanotechnologia pozwala stworzyć urządzenie pomiarowe (czujnik) z atomów i cząsteczek o wymiarach rzędu nanometrów [μm]. Technologia pozwoliła na to, że od niedawna pojawiają się na rynku czujniki agnorezystacyjne GMR (ang. Giant Magneto Resistive). Ich zaletą jest pomiar kąta obrotu powyżej 360° dzięki uporządkowaniu pseudohallotronowemu, gdzie rezystancja zależy wyłącznie od rzeczywistego kąta wychylenia. Czujniki wytwarzane w tych technologiach mają lepsze możliwości pomiarów. W celu ich miniaturyzacji stosuje następujące techniki: mikroukładowe, mikromechanikę powierzchniową i masową (krzemowe czujniki ciśnienia przyspieszenia), technikę półprzewodnikową (czujniki temperatury i hallotronowe), technikę warstwową i hybrydową. Zasadniczym czujnikiem systemu jest czujnik wytwarzający sygnał wyzwalający pracę pierwotnego obwodu zapłonu. Dopóki sterownik silnika nie otrzyma sygnału z czujnika wyzwalającego, układ wtrysku paliwa i zapłonu oraz przekaźnik pompy paliwa nie będą działały. W przypadku uszkodzenia czujnika sygnału wyzwalającego silnika nie da się uruchomić lub silnik będzie pracował nieregularnie. W zależności od stopnia uszkodzenia praca układu zasilającego i zapłonu zostanie zakłócona. Za prawidłową pracę silnika spalinowego odpowiadają m.in. następujące czujniki: czujnik położenia i prędkości obrotowej wału korbowego (indukcyjny, hallotronowy, optyczny itd.); czujnik ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (0,1-0,5 MPa), ciśnienia w komorze spalania (10 MPa dynamiczne), ciśnienia wtrysku w pompie wtryskowej (100 MPa dynamiczne), ciśnienia paliwa w zasobniku układu zasilania paliwem silnika ZS typu common rail (150-180 MPa) i ciśnienia paliwa w układzie bezpośredniego wtrysku paliwa silnia ZI (10 MPa); czujnik temperatury powietrza NTC i PTC, płynu chłodzącego NTC i PTC, temperatury oleju NTC, temperatury paliwa NTC; czujnik położenia przepustnicy; czujnik pedału przyspieszania; przepływomierz powietrza, przepływomierz LMM (przepływomierz mierzący ciśnienie spiętrzenia), LFM (przepływomierz z termoanemometrem drutowym), HLM (przepływomierz z termoanemometrem warstwowym); czujnik identyfikacji cylindrów (czujnik hallotronowy, indukcyjny czujnik fazy itd.); czujnik spalania stukowego; czujnik zapłonu tranzystorowego (indukcyjny lub hallotronowy itd.); czujnik gazów i stężenia oraz jakości powietrza, sonda lambda.
Podana wyżej lista czujników to podział podstawowy. We współczesnych silnikach ich liczba w poszczególnych układach może być bowiem znacznie większa, np. silniki z turbodoładowaniem. By przeprowadzić analizę poszczególnych czujników stosowanych w silnikach spalinowych, scharakteryzowano je poniżej pod względem: konstrukcji, zastosowania, otrzymywanych charakterystyk oraz diagnostyki, odpowiadające większości stosowanych układów wtryskowych i zapłonowych. Należy pamiętać, że wszystkie parametry są ściśle uzależnione od rodzaju zastosowanego układu wtrysku paliwa i zapłonu, wartości parametrów wyjściowych czujników, sposobu przetwarzania danych oraz uzyskiwanych charakterystyk. Dlatego też przed przystąpieniem do diagnozowania należy zapoznać się ze specyfikacją czujników (wartościami kontrolnymi i schematami połączeń elektrycznych) dla danego pojazdu. Przed każdorazowym rozpoczęciem diagnostyki elementów systemu sterowania silnikiem na początku należy sprawdzić je najpierw organoleptycznie, by wykluczyć ewentualne usterki mechaniczne układów elektronicznych.

Czujnik położenia i prędkości obrotowej wału korbowego Pomiar prędkości obrotowej i punktu odniesienia są najważniejszymi informacjami dla urządzenia sterującego. Zazwyczaj jest on przeprowadzany za pomocą czujnika indukcyjnego albo czujnika Halla (rys. 2.). Czujnik położenia i prędkości obrotowej wału korbowego silnika jest elektromagnetycznym czujnikiem reluktancyjnym. Czujniki indukcyjne są zazwyczaj stosowane w postaci przetworników cewkowych, obecnie stosuje się czujniki wytwarzane na zasadzie mikrostruktur, np. hallotronowe, gradientowe, styczne (AMR) czy magnetorezystacyjne elementy Giant (GMR). Najpopularniejsze czujniki indukcyjne do pomiarów prędkości wykorzystują prawo indukcji elektromagnetycznej, wytwarzając na swoim dwubiegunowym wyjściu napięcie, które zmienia się proporcjonalnie do strumienia magnetycznego. Zależność tę można zapisać za pomocą równań:

U = Uind = Z * dФ/dt,

gdzie: Z - liczba zwojów cewki, U - napięcie, Ф - strumień magnetyczny.

Analizując powyższe równania, można zauważyć podstawową wadę czujników indukcyjnych. Mianowicie w przypadku niezachowania stałej grubości szczeliny powietrznej, np. wskutek wystąpienia drgań, mają miejsce takie same zmiany strumienia jak w przypadku zmiany prędkości. Efektem tego procesu jest wytworzenie się niepożądanych napięć, które trudno odróżnić od rzeczywistego sygnału prędkości. Wada ta wyklucza czujniki indukcyjne (dynamiczne) do pomiarów małych prędkości np. quasi-statycznych bądź statycznych, gdyż ich sygnał wyjściowy dąży do wartości równej 0. Indukcyjne czujniki prędkości obrotowej składają się z trzech podstawowych elementów: stałej cewki, elementu wykonanego z miękkiego żelaza i magnesu trwałego. Jednym z rozwiązań pozwalającym obliczać kąt wyprzedzenia zapłonu jest stosowanie tarczy zębatej z poszerzonym wrębem (a więc z brakującym jednym zębem) umieszczonej na tłumiku drgań lub kole pasowym wału korbowego (rys. 3.). Czujnik indukcyjny z płaskim rdzeniem w tym przypadku mierzy zarówno prędkość obrotową, jak i punkt odniesienia (szerszy wrąb uzębienia na kole zamachowym określa położenia wału korbowego). Sygnały wysyłane z czujnika przetwarzane są w urządzeniu sterującym. Powszechnie stosowane czujniki magnetyczne składają się z magnesu prętowego z magnetycznie miękkim trzpieniem biegunowym i cewki indukcyjnej z dwoma przyłączami. Obrót ferromagnetycznego koła impulsowego lub wirnika wskutek zmian strumienia magnetycznego powoduje indukowanie w cewce napięcia o przebiegu zbliżonym do sinusoidy. Do elektrycznego wykrywania strefy oznakowanej stromym przejściem przez „0" wykorzystuje się maksymalną wartość strumienia magnetycznego.

Zgodnie z prawami indukcji magnetycznej amplituda sygnału we wszystkich fazach jest wprost proporcjonalna do prędkości obrotowej. Zasadniczą wadą czujników indukcyjnych jest duża wartość napięcia sygnału prądu przemiennego powinna sięgać około 4-5 V. Odczytany sygnał należy przeanalizować i sprawdzić pod kątem tego, czy wszystkie wartości szczytowe są równe (w przypadku wykrycia nawet kilku niższych wartości szczytowych może to świadczyć o braku lub uszkodzeniu występu w czujniku). Następnie rozłączamy złącze czujnika położenia wału korbowego lub złącze sterownika. Podłączamy woltomierz prądu przemiennego między dwa styki prowadzące do czujnika (w przypadku trzech styków jeden jest ekranem). Włączamy rozrusznik. Wartość napięcia prądu przemiennego nie powinna być mniejsza niż 0,7 V. W przypadku sprawnych czujników wartość wytwarzanego skutecznego napięcia prądu przemiennego jest dwukrotnie wyższa. Odczytana wartość skutecznego napięcia prądu przemiennego przy użyciu woltomierza informuje nas jedynie o tym, że czujnik wytwarza sygnał - dlatego nie możemy stwierdzić jednoznacznie, czy nie nastąpiły jakieś deformacje sinusoidy sygnału. Niektóre stosowane czujnik indukcyjne położenia wału korbowego są ekranowane, by można było sprawdzić ekranowanie. Potem dokonuje się następujących czynności: odnajdujemy złącze czujnika lub odłączamy złącze sterownika, podłączamy końcówkę pomiarową omomierza do jednego ze styków czujnika, podłączamy drugą końcówkę pomiarową do styku ekranu - wskazania omomierza powinny wskazywać nieskończoność (w przypadku podłączenia końcówki poprzednio przyłożonej do styku ekranu do masy wskazania omomierza powinny również wskazać nieskończoność). Podczas każdorazowej diagnostyki należy korzystać ze schematów elektrycznych w celu sprawdzenia sposobu podłączania czujnika. W niektórych systemach ekran czujnika położenia wału korbowego może być podłączony do masowego przewodu powtórnego - w takim wypadku omomierz pokaże ciągłość obwodu. Będzie to wynik prawidłowy.

W przypadku diagnostyki czujnika hallotronowego położenia wału korbowego i prędkości obrotowej czynności sprawdzające wykonuje się w przypadku, gdy silnik nie daje się uruchomić z powodu braku iskry, bądź nie pojawił się sygnał lub współczynnik wypełniania impulsu. Większość czujników hallotronowych znajduje się w rozdzielaczu, ale czujniki hallotronowe mogą być też zlokalizowane na kole zamachowym. W przypadku braku iskry należy dokonać podstawowych czynności sprawdzających: odłączyć środkowy przewód wysokiego napięcia od półki rozdzielacza i podłączyć go do głowicy cylindrów poprzez iskrownik, odłączyć złącze czujnika od rozdzielacza, odnaleźć zaciski sygnału, zasilania i masy, a następnie przez chwilę mostkujemy styki „0" i „-" w złączu czujnika hallotronowego. Jeśli wystąpi przeskok iskry pomiędzy iskrownikiem i głowicą, będzie to oznaczać, że cewka i wzmacniacz działają prawidłowo, a uszkodzeniu uległ czujnik hallotronowy w rozdzielaczu. W celu sprawdzenia czujnika hallotronowego należy podłączyć ujemną końcówkę pomiarową woltomierza do masy, odnaleźć zaciski, sygnału, zasilania i masy, podłączyć dodatnią końcówkę woltomierza do przewodu sygnału czujnika hallotronowego, uruchomić silnik i zmierzyć napięcie skuteczne, które powinno wynosić 7-8 V. W przypadku braku napięcia należy wyłączyć silnik i zdjąć kopułkę rozdzielacza. Gdy złącze czujnika jest podłączone i jest włączony zapłon, podłączyć trzeba dodatnią końcówkę pomiarową woltomierza do zacisku sygnału. Następnie powoli obracamy wałek korbowy silnika - napięcie powinno zmieniać wartość 10-12 V oraz 0 V (na skutek przemieszania się skrzydełka czujnika w szczelinie powietrznej). W przypadku braku sygnału napięcia należy: odłączyć złącze czujnika hallotronowego od rozdzielacza, sprawdzić dodatnią końcówkę pomiarową woltomierza na zacisku wyjściowym „2", a w przypadku braku napięcia należy sprawdzić ciągłość połączeń elektrycznych między zaciskiem sygnału czujnika a zaciskiem sterownika. Sprawdzić też trzeba napięcie na styku sterownika - jego brak po uprzednim sprawdzeniu masy i przewodów zasilających sterownik oznacza awarię sterownika. Kolejnym krokiem jest sprawdzenie wartości napięcia zasilającego na zacisku „1" (+) czujnika hallotronowego. Jeśli jest nieprawidłowe (nie mieści się w przedziale 10-12 V), należy ponownie sprawdzić ciągłość połączeń elektrycznych między czujnikiem hallotronowym a sternikiem (gdy sterownik jest wymieniony) i sprawdzić połączenie zacisku „3" (-) czujnika hallotronowego do masy. Jeśli napięcie zasilające i masa są prawidłowe, z pewnością uszkodzeniu uległ czujnik hallotronowy w rozdzielaczu. Powyższe czynności sprawdzające odwołują się głównie do sprawdzenia sygnału wyzwalającego pracę pierwotnego obwodu zapłonu.

Sposoby pomiaru ciśnienia
Ciśnienie jest oddziaływaniem siłowym występującym we wszystkich kierunkach, głównie w cieczach i gazach. Są jednak pewne wyjątki dotyczące substancji miękkich plastycznie lub galaretowatych (specjalnego przeznaczenia). Do pomiarów ciśnień używa się próbników statycznych i dynamicznych. Dotychczas w konstrukcji pojazdów jednak praktycznie wyłącznie znajdowały zastosowanie statyczne czujniki ciśnienia.
Pomiaru ciśnienia można dokonać na cztery podstawowe sposoby: w sposób bezpośredni, poprzez pomiar rezystancji zależnej od ciśnienia, poprzez pomiar zmiany pojemności spowodowanej odkształceniami puszki membranowej, poprzez pomiar tensometrami mierzącymi odkształcenie membrany oraz pomiar czujnikiem siły (rys. 5.).
W przypadku pomiarów bezpośrednich efekt objętościowy (ciśnienie) i temperatura mają bezpośredni wpływ na wartość rezystancji podczas tych zmian. W przypadku pomiaru ciśnienia tą metodą sytuacja się nieco komplikuje: pojawia się bowiem pewna trudność w przypadku zidentyfikowania i ograniczenia jednoczesnego wpływu temperatury na odczytywane wartości wyjściowe. Komplikacje mogą również pojawić się w przypadku technologii wyprowadzania przyłączy, pomiędzy którymi musi być zachowana duża szczelność. Najpowszechniejszą formą pomiaru ciśnień jest użycie do pozyskiwania sygnału mechanicznego stopnia pośredniczącego (specjalnej grubości przepona), który pod jednostronnym działaniem ciśnienia zostaje odkształcony. Dobór przepony uzależniony jest ściśle od mierzonego zakresu ciśnienia. Do pomiarów małych ciśnień używa się przepon o grubości z zakresu 1-0,1 mm i dużej średnicy, obecnie wykorzystywana do tego typu pomiarów jest metoda pojemnościowego przetwarzania odległości mierzonej. Duże wartości ciśnień mierzone są przez przepony o większych grubościach i małych średnicach. W tym przypadku do pomiarów wartości wysokich ciśnień stosuje się głównie metodę przetwarzania napięciowego DMS (z niem. Dehnmessstreifen), czyli tensometryczną, bądź inaczej nazywaną metodą rezystancji odkształceniowej.


Metoda tensometryczna w pomiarach ciśnienia
Pojemnościowe czujniki ciśnieniowe mimo dużej dokładności pomiaru są rzadko stosowane. W przeciwieństwie do innych czujników czujniki ciśnienia wymagają bezpośredniego kontaktu z czynnikiem (medium). Dlatego dielektryczne właściwości mierzonego ośrodka przeważnie zawsze wpływają na kalibrację pojemnościowego przetwornika ciśnienia, który pracuje w różnych warunkach (medium), a nawet bez niego, na sucho. W celu uniezależnienia otrzymywanych wyników z przetwornika pojemnościowego należałoby ograniczyć wpływ czynnika (medium) na pomiar, co wymagałoby dużych nakładów i zabiegów technologicznych.

Do pomiarów ciśnienia metodą (DMS) tensometryczną stosuje się następujące rodzaje tensometrów:
· tensometry foliowe,
· tensometry grubowarstwowe,
· tensometry metalowe cienkowarstwowe,
· tensometry krzemowe cienkowarstwowe,
· rezystory dyfuzyjne.
W zależności od rodzaju zastosowanego tensometru należy użyć wykonanej z odpowiedniego materiału przepony. W tym celu wyróżnia się trzy rodzaje zasadniczych materiałów użytych do ich produkcji: ceramikę, metal (głównie stal) oraz krzem (tensometry krzemowe cienkowarstwowe oraz rezystory dyfuzyjne). Wartość efektu pomiarowego wykonanego metodą tensometryczną charakteryzuje współczynnik K, który wyraża względną zmianę rezystancji odkształceniowej R w odniesieniu do zmiany długości l tensometru. Rezystancja czujnika tensometrycznego wyraża się wzorem:

R = ρ l-A = ρ,

gdzie: ρ - elektryczna przewodność, A - przekrój, l - długość.

Z wzoru powyżej możemy wyznaczyć zmianę rezystancji tensometru pod obciążenia, a poprzez zróżnicowanie i przekształcenie względną zmianę rezystancji:

ΔR= ðR - ðρ Δρ + ðR - ðl
Δl + ðR - ðd Δd;
ΔR -R = Δρ -ρ + Δl - l
Z powyższej zależności wyprowadzamy wzór na odkształcenie względnej zmiany długości ε i przekroju εq:

ε = Δl - l;
εq = Δd - d = -με,

gdzie: μ - liczba Poissona (charakteryzuje zmianę zmniejszania przekroju poprzecznego materiału przy jego wydłużaniu), Δl/l - odkształcenie względne zmiany długości, Δd/d - odkształcenie względne zmiany przekroju. Liczbę określającą wartość względnej zmiany odkształcenia ε często podaje się jako wielokrotność 10-6, czyli mikron lub microstrain. W efekcie otrzymujemy
wzór na współczynnik K, określający wartość efektu pomiarowego tensometru:
K = ΔR-R - Δl-l = Δρ - ρε +1 +2μ.

Gdy odkształcenie jest zgodne z kierunkiem przepływu prądu, można mówić o wzdłużnym współczynniku K, a w przypadku odkształcenia w kierunku prostopadłym do jego przepływu - o poprzecznym współczynniku K (rys. 7.). Metoda pomiaru tensometrycznego ma jedną zasadniczą wadę: wiąże się ona jedynie z naklejanymi tensometrami foliowymi (zjawisko pełzania). Zjawisko to występuje, gdy ma się do czynienia z nieznacznymi mechanicznymi ukierunkowanymi i trwałymi obciążeniami.

Podstawowe typy czujników ciśnienia: budowa, zasada działania, zastosowanie
W przypadku pomiarów z użyciem przepony przegięcie jej w odpowiednim kierunku uzależnione jest jedynie od wartości ciśnień występujących po obu stronach. W tym przypadku rozróżniamy cztery podstawowe rodzaje czujników:
· ciśnienia względnego,
· ciśnienia bezwzględnego,
· ciśnienia barometrycznego,
· różnicy ciśnień.


Pewna grupa czujników ciśnienia nie używa przepon do bezpośredniego przekształcania sygnału, ale do pomiaru przejmowanej siły przez przeponę. Ta grupa to czujniki siły. Ich zakres pomiarowy jest zawsze jednakowy - wówczas dopasowanie do zakresu pomiaru
ciśnienia można uzyskać w sposób mechaniczny, po uprzednim dopasowaniu ugięcia przepony do ruchów czujnika siły, np. przez zastosowanie mechanicznego popychacza.
Czujniki siły stosuje się w czterech odmianach (w przypadku pomiaru ciśnień):

· grubowarstwowe czujniki ciśnienia,
· mikromechaniczne czujniki ciśnienia (rys. 8.),
· czujniki wysokiego ciśnienia z metalową
· przeponą,
· krzemowe czujniki ciśnienia (indykatorowe)
· w komorze spalania.

Grubowarstwowe czujniki ciśnienia stosuje się sporadycznie. Zastosowanie znalazły jedynie w układach sterowania silników M-Motronic i ME-Motronic w dwóch zasadniczych odmianach: czujnika ciśnienia otoczenia i czujnika ciśnienia w przewodzie dolotowym bądź ciśnienia doładowania. Czujnik składa się z elementu pomiarowego i układu obróbki sygnału. Jego działanie opiera się na zastosowaniu grubowarstwowej przepony, pod którą panuje określone ciśnienie odniesienia (zazwyczaj 10 kPa), a w zależności od wartości ciśnienia mierzonego przepona ulega wygięciu. Do pomiaru wartości stosuje się 4 tensometry: 2 tensometry referencyjne, zlokalizowane na krawędzi przepony (nie wnoszą zbyt dużo do wartości sygnału, pełnią jedynie funkcję kompensatora temperaturowego) oraz 2 tensometry aktywne, które znajdują się w środkowej części przepony i zmieniają swoją przewodność pod wypływem zmian mechanicznych, wynikających z różnicy ciśnień, co powoduje zmianę punktu równowagi mostka. Określona wartość wyjściowego napięcia odzwierciedla wartość ciśnienia pomiarowego. Następnie po uwzględnieniu wpływu temperatury zostaje wyznaczona liniowa charakterystyka czujnika i przekazana dalej do sterownika (rys. 9.).
Mikromechaniczne czujniki ciśnienia znalazły zastosowanie głównie w pomiarze ciśnienia czynnika doładowanego lub niedoładowanego w kolektorze dolotowym (rys. 10.), ciśnienia paliwa i oleju oraz ciśnienia otoczenia. W przypadku pomiaru ciśnienia w kolektorze dolotowym dokonuje się pomiaru ciśnienia bezwzględnego. Gdy silnik jest doładowany, czujnik umieszczony jest między urządzeniem sprężającym a kolektorem (zakres pomiaru wynosi około 250 kPa). Wartość ciśnienia mierzonego odnosi się do próżni, dzięki czemu możemy dokonać dokładniejszego pomiaru masy czynnika oraz ciśnienia doładowania. Czujniki ciśnienia atmosferycznego w silniku zwane MCA służą silnie skorelowanej korelacji wartości sygnałów w układach recyrkulacji. Uwzględnia się przy tym gęstość powietrza w otoczeniu. Czujniki ciśnienia paliwa i oleju zazwyczaj umieszczane są w filtrach. Odgrywają ważną rolę w ocenie prawidłowości działania silnika zarówno w trakcie rozruchu, jak i podczas jego pracy (zakres pomiaru: 50-1000 kPa). W przypadku czujników mikromechanicznych obecnie wyróżnia się 2 zasadnicze odmiany czujników: z komorą próżni bazowej (rys. 11.) oraz z próżnią w komorze bazowej (rys. 12.). Czujniki z komorą próżni bazowej składają się z krzemowego chipa, w którym wytrawiono mikromechaniczną przeponę, oraz z 4 tensometrów, których rezystancja zmienia się pod obciążeniem mechanicznym (efekt piezometryczny). Zastosowana szczelna pokrywa próżniowa powoduje odgięcie przepony i uszczelnienie komory. Wartości ugięć, jakim ulega przepona przetwornika, mieszczą się w zakresie 10-1000 μm. W celu zwiększenia czułości przetwornika stosuje się mostek Wheststone'a. Zewnętrzna powierzchnia przepony w stosunku do podlegającej ciśnieniu mierzonemu jest poddawana działaniu komory próżniowej, stanowiąc stronę odniesienia.
Czujnik dokonuje wówczas pomiaru wartości bezwzględnej ciśnienia. Napięcie wyjściowe zazwyczaj mieszczące się w zakresie od 0 do 5 V jest doprowadzane do sterownika, który dokonuje przekształcenia i przeliczenia wartości napięcia na wartość ciśnienia (rys. 13.). W przypadku gdy mamy do czynienia z czujnikiem ciśnienia z komorą próżniową, chip krzemowy wraz z czterema tensometrami i komorą próżniową odgrywają rolę przetwornika pomiarowego. Cokół, na którym umieszczony jest przetwornik, nie ma żadnych otworów, które łączyłyby przeciwną roboczą stronę przepony z medium. W tym przypadku ciśnienie czynnika działa na przeponę od strony chipa. W celu ochrony tej części stosuje się specjalne żele ochronne. Komora próżniowa znajduje się w przestrzeni między szklanym cokołem a chipem przetwornika z elektroniką sygnałową. Znajdujące się w silniku czujniki ciśnienia powietrza służą głównie do uściślenia ilości wtryskiwanego paliwa i początku wtrysku. W przypadku jakiegokolwiek uszkodzenia czujnika ciśnienia (brak sygnału) w układzie dolotowym silnika doładowanego bądź wolnossącego (czujnik ciśnienia atmosferycznego) zostaje wprowadzona do systemu wartość zastępcza ciśnienia, co powoduje obniżenie momentu obrotowego.
Czujniki służące do pomiarów wysokiego ciśnienia znalazły zastosowanie głównie w zasobniku paliwa common rail w silnikach z zapłonem samoczynnym oraz w zasobnikach paliwa silników z zapłonem iskrowym (układ wtryskowy MED-Motronic). Ciśnienie robocze w układzie zasobnikowym common rail wynosi średnio około 160 MPa. Jest ono niezależne od stanu pracy silnika, czyli jego obciążenia lub prędkości obrotowej. W silnikach z zapłonem iskrowym czujniki wysokiego ciśnienia mierzą ciśnienie benzyny w zasobniku paliwa układu bezpośredniego wtrysku paliwa. Ciśnienie w zasobniku benzyny ulega zmianie w zależności od obciążenia i prędkości obrotowej silnika. Jego wartość wynosi zazwyczaj 5-12 MPa.

Diagnostyka czujnika ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym
Z całej grupy czujników ciśnienia stosowanych w silniku jednym z ważniejszych jest czujnik ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym. Można podzielić je na analogowe i cyfrowe. Obecnie najczęściej stosuje się czujniki ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (cyfrowe), dlatego też zostanie poniżej omówiona diagnostyka tego czujnika. Diagnostykę zaczynamy od pomiaru napięcia miernikiem cyfrowym, w tym celu należy: włączyć zapłon, odszukać zaciski sygnału, zasilania, masy i podłączyć dodatnią końcówkę pomiarową miernika do zacisku sygnału czujnika ciśnienia bezwzględnego; wartości średnie napięcia odczytywane na mierniku powinny mieścić się w przedziale 2,4-2,6 V dla czujnika ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym. Do dalszych pomiarów przystępujemy wyłącznie wtedy, gdy uzyskujemy na mierniku wartości napięcia (jest napięcie); ustawiamy miernik na pomiar prędkości obrotowej; po odłączeniu przewodu podciśnienia od czujnika ciśnienia bezwzględnego podłączamy dodatnią końcówkę miernika do zacisku sygnału, a końcówkę ujemną do masy. Na mierniku powinniśmy wówczas uzyskiwać wartości prędkości obrotowej w zakresie ok. 4400-5000 obr./min; następnie trzeba podłączyć pompę podciśnienia do złącza przewodu czujnika ciśnienia bezwzględnego. W przypadku otrzymywanych wartości sprawdzających średnio podczas wzrostu podciśnienia o 20 kPa (200 mbarów) wskazania na skali prędkości powinny się zmniejszać o około 500 obr./min; po skontrolowaniu wszystkiego należy wyrównać ciśnienie. Prawidłowo działający czujnik powinien spowodować powrót silnika do prędkości obrotowej w granicach wyjściowych, czyli 4400-5000 obr./min; w przypadku gdy czujnik ciśnienia bezwzględnego zachowuje się inaczej, należy uznać, że jest on uszkodzony.
UWAGA! Mogą też wystąpić nietypowe sytuacje typu: wartość napięcia sygnału lub napięcia zasilania będzie przyjmować wartość napięcia akumulatora, wówczas należy sprawdzić przewód (+) bieguna akumulatora pod kątem tego, czy nie jest zwarty do masy lub podłączony do napięcia zasilającego; w przypadku braku napięcia należy sprawdzić, czy napięcie odniesienia ma wartość około 5 V oraz sprawdzić masowe połączenie powrotne; jeśli zasilanie i masa są prawidłowe, należy sprawdzić połączenia na przewodzie od czujnika ciśnienia bezwzględnego do sterownika; jeśli połączenie jest prawidłowe, a masa i napięcie zasilające dopływające do sterownika jest również prawidłowe, można uznać, że sterownik uległ uszkodzeniu i wymaga wymiany.

Pomiar temperatury z wykorzystaniem termistorów (czujników rezystancyjnych) PTC i NTC

Podstawowym parametrem charakteryzującym stan energetyczny danego medium jest temperatura, która zależna jest od dwóch parametrów czasu i miejsca. Obecnie najczęściej do pomiaru temperatury w silniku wykorzystuje się czujniki rezystancyjne (termistory) z dodatnim (z ang. PTC - Positive Temperature Coeffi cient) lub ujemnym (z ang. NTC - Negative Temperature Coeffi cient) współczynnikiem temperaturowym (rys. 14.). Proces przetworzenia wartości rezystancji na analogowe napięcie w tym przypadku polega na uzupełnieniu dzielnika napięcia rezystancją neutralną temperaturowo lub o przeciwnej zależności.
Rezystory zmieniające swoją rezystancję wraz ze zmianą temperatury są dwubiegunowymi elementami, produkowanymi zazwyczaj jako zwoje drutowe, spieki ceramiczne, monokryształy lub cienko- i grubowarstwowe folie. Zazwyczaj za temperaturę odniesienia przyjmuje się T0 = 20oC. Pierwotna charakterystyka czujnika ulega drobnemu przekształceniu podczas przetwarzania napięciowego, ponieważ czujniki te do przekształcenia w analogowy sygnał napięcia uzupełniają stałą rezystancję Rv w dzielniku napięcia lub zasilane są prądem wymuszającym I0.
Sytuacja ta może jednak okazać się niekorzystna, ponieważ wskutek połączenia trzypunktowego, czułość pomiarowa może ulec zmianie, wówczas dopuszcza się dostrajanie przetwornika rezystancyjnego za pomocą dodatkowego równoległego i szeregowego rezystora. Rezystor pomiarowy zasilany jest napięciem 5 V, a otrzymywane wartości napięcia wczytywane są przez sterownik analogowo-cyfrowy jako miara temperatury panującej w pobliżu elementu pomiarowego, która zapamiętywana jest w formie charakterystyki przez sterownik silnika. Cały ten proces można przedstawić zależnością:

U(T) = U0R(T)/[R(T)+Rv]
U(T) = I0R(T)
Rv ≈ R(T0),
gdzie: U0 - napięcie zasilające, U (T) - napięcie wyjściowe, Rv - neutralny temperaturowo rezystor wstępny, R(T) - rezystor pomiarowy zależny temperaturowo, I0 - prąd zasilający.

Do analizy temperatur potrzebnych do prawidłowej pracy silnika wyróżnia się zasadniczo pięć podstawowych czujników:
a) czujnik temperatury silnika - wbudowany jest zazwyczaj w układ chłodzenia silnika. W zintegrowanych systemach sterowania silnika sterownik wykorzystuje sygnał wysyłany przez ten czujnik do korekcji czasu trwania wtrysku paliwa i punktu zapłonu;
b) czujnik temperatury oleju silnikowego - zazwyczaj podaje temperaturę, na podstawie której sterownik oblicza czas międzyobsługowy;
c) czujnik temperatury paliwa - wartość temperaturowa podawana przez ten czujnik wykorzystywana jest przez sterownik
silnika do obliczenia dawki wtrysku. Zazwyczaj wykorzystuje się go w układach zasilania paliwem silnika ZS, gdzie usytuowany
jest on w części niskociśnieniowej;
d) czujnik temperatury powietrza - dokonuje pomiaru temperatury powietrza zasilającego silnik. Zazwyczaj wbudowany
jest w przewód dolotowy wraz z czujnikiem ciśnienia, a razem stanowią bazę do obliczenia masy powietrza pobieranego przez silnik. Ponadto jego sygnał wykorzystywany jest do ustalenia dopasowania wartości zadanej w układzie regulacji do temperatury powietrza;
e) czujnik temperatury spalin - jego zadaniem jest dostarczanie niezbędnych informacji potrzebnych dla układu regulacyjnego spalin. W tym przypadku ze względu na wysoką temperaturę pomiaru wykorzystuje się rezystor wykonany z platyny.

Opisy do rysunków:
Rys. 5. Pomiary ciśnienia: a) bezpośredni pomiar rezystancji (3) zależnej od ciśnienia, b) pomiar zmian pojemności spowodowanej odkształceniami puszki membranowej (4), c) – pomiar tensometrami (2) mierzącymi odkształcenia membrany, d) pomiar czujnikiem siły (1)


Rys. 6. Rozciąganie prowadzi do odkształcenia, a tym samym do wzrostu oporności elektrycznej


Rys. 7. Współczynnik K, wielkości fizyczne: a) wzdłużny, b) poprzeczny: F – siła, I – prąd, R – rezystancja, l – długość, w – szerokość, ε- odkształcenie względne, K – współczynnik


Rys. 8. Mikromechaniczny czujnik ciśnienia elektornika (Źródło: Bosch)


Rys. 9. Układ elektryczny czujnika grubowarstwowego: A – tensometryczny element pomiarowy, B – wzmacniacz, C – układ kompensacji temperaturowej, U0 – napięcie zasilania, UM – napięcie pomiarowe, UA – napięcie wyjściowe


Rys. 10. Czujnik ciśnienia doładowania (Źródło: Bosch)


Rys. 11. Budowa mikromechanicznego czujnika ciśnienia bezwzględnego i temperatury: 1 – czujnik temperatury NTC, 2 – dolna część obudowy, 3 – ściana kolektora dolotowego, 4 – pierścień uszczelniający, 5 – złącze wtykowe, 6 – pokrywa obudowy, 7 – przetwornik (Źródło: Bosch)


Rys. 12. Budowa mikromechanicznego czujnika ciśnienia z kawerną próżniową: 1 – ścianka kolektora dolotowego, 2 – obudowa, 3 – pierścień uszczelniający, 4 – czujnik temperatury NTC, 5 – elektryczne złącze wtykowe, 6 – pokrywa obudowy, 7 – element pomiarowy (Źródło: Bosch)


Rys. 13. Charakterystyka mikromechanicznego czujnika ciśnienia doładowania


Rys.14. Czujnik temperatury płynu chłodzącego


Rys. 15. Charakterystyka czujnika temperatury płynu chłodzącego NTC w funkcji rezystancji i temperatury (Źródło: Bosch)


Rys. 16. Charakterystyka czujnika temperatury płynu chłodzącego NTC w funkcji napięcia i temperatury

Autorem jest pan inż Piotr Wróblewski
Artykuł znajduje się na stronach AutoEXPERT
Załączone Obrazki
Typ Pliku: jpg 1.jpg (7.4 KB, 475 wyświetleń)
Typ Pliku: jpg 2.jpg (12.2 KB, 370 wyświetleń)
Typ Pliku: jpg 3.jpg (13.0 KB, 359 wyświetleń)
Typ Pliku: jpg 4.jpg (8.8 KB, 404 wyświetleń)
Typ Pliku: jpg 5.jpg (6.1 KB, 320 wyświetleń)


Ostatnio edytowane przez Wojtek ; 23-05-2012 o 21:56
Kobranocka jest offline  
Zamknięty Temat


Narzędzia wątku Przeszukaj ten temat
Przeszukaj ten temat:

Zaawansowane wyszukiwanie

Zasady postowania
Nie możesz zakładać nowych tematów
Nie możesz pisać wiadomości
Nie możesz dodawać załączników
Nie możesz edytować swoich postów

BB Code jest Włączony
EmotikonyWłączony
[IMG] kod jest Włączony
HTML kod jest Wyłączony

Skocz do forum


Czasy w strefie GMT +1. Teraz jest 16:17.


Powered by vBulletin® Version 3.8.4
Copyright ©2000 - 2019, Jelsoft Enterprises Ltd.
Tłumaczenie: vBHELP.pl - Polski Support vBulletin
części do Fordów - tarcze i klocki EBC
Regeneracja wtryskiwaczy - Regeneracja wtryskiwaczy benzynowych
Regeneracja turbosprężarek - Regeneracja czyszczenie filtrów DPF FAP

User Alert System provided by Advanced User Tagging (Lite) - vBulletin Mods & Addons Copyright © 2019 DragonByte Technologies Ltd.