Практическая работа № 17
Тема: Проверка технического состояния цепи контрольно-измерительных приборов и датчиков
Цель: Изучить конструкцию, компоновку и проверку технического состояния контрольно-измерительных приборов и датчиков
В электронных системах автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д) автомобилей функции оценки параметров работы двигателя для определения момента зажигания и впрыска топлива выполняют различные датчики. Датчики могут быть параметрическими или генераторными. Широко известны магнитоэлектрические, фотоэлектрические, оптоэлектронные, индуктивные и взаимоиндуктивные датчики, пьезодатчики, датчики на магнисторах, на эффектах Холла и другие.
1. Потенциометрические датчики
К потенциометрическим (резистивным) датчикам относятся:
- датчик углового положения дроссельной заслонки (рис. 1.);
- датчик углового положения ротаметра расходомера воздуха;
- датчик положения педали акселератора;
- датчики положения различных поворотных устройств.
Рис.1. Потенциометрический датчик дроссельной заслонки:
а — конструкция; б — электрическая схема; 1, 2, 4, 5 — контактные выводы потенциометра; 3,9 — скользящие контакты; 6 — резиновый уплотнитель;
7 — резистор Rа; 8 — резистор Rb; 10 — резистор Rс; 11 — резистор Rd;
12 — керамическая изоляционная подложка; 13 — ось движка потенциометра;
14 — пластмассовый корпус потенциометра.
Классические датчики уровня топлива в бензобаке Рис.2 - также потенциометрические. Все потенциометрические датчики имеют на выходе аналоговый электрический сигнал и при работе в составе цифровой ЭСАУ требуют применения аналого-цифровых преобразователей.
Рис.2. Датчик и указатель уровня топлива
2. Магнитоэлектрические датчики
Действие магнитоэлектрических датчиков (МЭД) основано на явлении электромагнитной индукции. МЭД представляет собой однофазный генератор переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую.
Различают МЭД коммутаторного типа с пульсирующим магнитным потоком Рис.3. и с вращающимися магнитами Рис.4. (т. е. знакопеременным магнитным потоком и симметричной формой выходного напряжения).
Рис.3. Магнитоэлектрический датчик с пульсирующим магнитным потоком:
1 – магнитопровод статора, 2 - постоянный магнит, 3 - обмотка статора;
4 - ротор-коммутатор
Принцип его действия основан на изменении магнитного сопротивления магнитной цепи датчика и магнитного потока Ф, пронизывающего обмотку 3. При вращении зубчатого ротора 4 из магнитомягкой стали в обмотке статора 1 в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится переменная ЭДС. Когда пара зубцов набегает на полюсные наконечники статора, магнитный поток Ф нарастает, а после достижения максимального значения и удалении зубцов ротора от полюсных наконечников статора - уменьшается.
Рис.4. Магнитоэлектрический датчик с вращающимися магнитами:
1,3 - полюсные наконечники; 2 - постоянный магнит;
4-6 - обоймы магнитной системы статора; 5 - обмотка статора
При вращении ротора (1+2+3) в магнитной системе статора 4-6 изменяется магнитный поток, пронизывающий обмотку статора, и на выходе обмотки 5 появляются близкие к синусоидальным импульсы напряжения. Напряжение подается на вход электронного блока управления двигателя (ЭБУ), где преобразуется в цифровой сигнал пропорционально измеряемому параметру.
3. Датчик Холла
Работа датчика Холла основана на использовании гальваномагнитного эффекта в элементе Холла. Элемент представляет собой тонкую пластину, выполненную из полупроводниковых материалов: германия, кремния, арсенида галлия, арсенида индия. Толщина пластины составляет 10-4 м (0,1 мм).
ЭДС Холла очень мала, зависит от напряжения питания Uп и температуры. Поэтому для стабильной работы элемента Холла (ЭХ) дополнительно необходимы (Рис.5):
- преобразователь с усилителем У,
- пороговый элемент К,
- выходной каскад на транзисторе VТ
- стабилизатор напряжения (СТ).
Конструктивно элемент Холла и названные устройства выполняют в виде одной магнитоуправляемой интегральной микросхемы, называемой микропереключателем на эффекте Холла.
Рис.5. Структурная схема микропереключателя на эффекте Холла
Конструкция датчика Холла показана на Рис.6.
Рис.6. Датчик Холла: 1- магнитоуправляемая интегральная схема;
2 - ротор; 3 - экран; 4 - валик датчика-распределителя; 5 - магнит;
6 - корпус микропереключателя
Магнитное поле в датчике Холла создается постоянным магнитом 5. Магнитная система и магнитоуправляемая интегральная схема 1, объединенные в одном корпусе б, образуют микропереключатель на эффекте Холла. Коммутация магнитного потока осуществляется ротором 2 в виде шторки с экранами 3 и прорезями, выполненного из магнитомягкой стали. Ротор 2 вращается на валике 4. Число прорезей равно числу цилиндров двигателя.
В датчике Холла форма и амплитуда сигнала не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Время изменения выходного сигнала датчика составляют доли микросекунды. Датчик может работать в диапазоне напряжения питания от 4,5 до 18 В при силе тока нагрузки 20 мА. Термическая устойчивость датчика Холла обеспечивает нормальную работу при температурах окружающей среды от -40 до +125 °С. Смещение угла момента зажигания во всем температурном диапазоне - не более 0,5-1,5°.
4. Датчики положения и перемещения
Для получения цифровой информации о частоте вращения и положении коленчатого вала двигателя применяют профилированный зубчатый диск, жестко закреплённый на коленвалу. Часто для этой цели используется зубчатый венец маховика с дополнительным опорным (установочным) зубом или штифтом из магнитомягкой стали. Это обеспечивает формирование датчиком начала отсчета (ДНО) импульса, который соответствует положению поршня первого цилиндра в верхней мертвой точке (ВМТ). Импульсы ДНО формируются с частотой, пропорциональной частоте вращения коленчатого вала. Они служат для синхронизации функционирования системы управления моментом искрообразования с рабочими процессами в цилиндрах двигателя.
При вращении зубчатого диска (или маховика с зубчатым венцом) с равномерно расположенными по всей окружности зубьями датчик угловых импульсов (ДУИ) вырабатывает импульсы, по числу которых после прохождения поршнем ВМТ определяется угловое положение коленчатого вала. Частота вращения коленчатого вала определяется по числу импульсов, вырабатываемых ДУИ в течение заданного периода времени, или по числу импульсов генератора высокой частоты (ГВЧ), подсчитываемых за временной интервал между двумя следующими друг за другом импульсами ДУИ.
Наибольшее распространение в микропроцессорных системах зажигания получили индуктивные датчики Рис. 7.
Рис.7. Схема работы индуктивного датчика: 1 - зубчатый диск; 2 - зуб;
3 - магнитопровод; 4 - индукционная катушка; 5 - постоянный магнит;
? - угловая скорость коленчатого вала
Индукционная катушка 4 датчика находится около постоянного магнита 5, один полюс которого обращен в сторону вращающегося зубчатого диска или зубчатого венца маховика. Между цилиндрической поверхностью зуба 2 и магнитопроводом 3 датчика предусмотрен небольшой зазор А. При прохождении зуба 2 вблизи плоского торца магнитопровода из магнитомягкого материала величина воздушного зазора А между ними изменяется, что приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе и появлению электрического импульса в расположенной на нем индукционной катушке. Нулевая точка импульса соответствует центру каждого зуба.
Индуктивные датчики просты по конструкции, не требуют внешнего источника энергии, надежны в эксплуатации и работоспособны при температурах от -50 до 120 °С.
5. Датчики давления
В пневмоэлектрических датчиках потенциометрического типа изменение давления преобразуется в изменение напряжения или силы тока в результате перемещения движка потенциометра с помощью мембранного или сильфонного чувствительного элемента.
Большей надежностью обладают индуктивные датчики, в которых при перемещении стального магнитопровода чувствительным элементом в индукционной катушке индуктируется ЭДС. На выходе разбалансированного моста появляется электрический сигнал, поступающий после усиления в блок управления системы зажигания.
Более совершенные и менее дорогостоящие интегральные датчики давления Рис.8 выполняют функцию преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал и осуществляют его дальнейшую обработку. В корпусе датчика размещена кремниевая пластина, содержащая схему обработки его сигнала.
Рис.8. Интегральный датчик давления: а) - чувствительный элемент; б) - схема включения тензорезисторов; 1 - радиальный тензорезистор К1; 2 - тангенциальный тензорезистор К2; 3 - мембрана; 4 - кремниевая подложка;
5 - контактные площадки
На мембране 3 чувствительного элемента датчика размещены пленочные тензорезисторы R1 и R2, обладающие p-проводимостью и ориентированные во взаимо-перпендикулярных направлениях. Тензорезисторы включены в мостовую измерительную схему. При прогибе мембраны сопротивление тензорезисторов R1 возрастает, а тензорезисторов R2 – уменьшается. Это приводит к разбалансированию моста и появлению электрического сигнала. Измерительный мост соединен со схемой обработки сигнала.
6. Датчики температуры.
Сигналы от датчика температуры охлаждающей жидкости (или головки блока цилиндров двигателей воздушного охлаждения) в микропроцессорных системах зажигания используются в качестве корректирующей информации. Чувствительными элементами в датчиках температуры могут быть терморезисторы (термисторы или позисторы) и термометры сопротивления, размещаемые в металлическом корпусе. Полупроводниковые терморезисторы обладают высокой чувствительностью, однако имеют нестабильные и нелинейные характеристики.
Более высокой стабильностью физических свойств обладают такие металлы, как платина, никель, медь, поэтому перспективным является применение датчиков температуры на основе металлополимерных чувствительных элементов. Перспективно применение интегральных датчиков температуры, в которых термочувствительный элемент и формирователь сигнала выполнены на одном кристалле.
7. Датчики детонации.
Возникновение детонации в двигателе можно определить по многим признакам: по вибрации блока цилиндров или головки блока; по характеру изменения давления в цилиндре; по температуре стенок гильзы цилиндра; по изменению силы ионизационных токов на электродах свечи зажигания и т. д. Поэтому существует множество типов датчиков детонации, отличающихся по конструкции и принципу действия. От типа датчика зависит место его расположения на двигателе.
Наибольшее распространение получили пьезокварцевые вибродатчики Рис.9, выполняемые на основе пьезоэлектрических преобразователей. Они просты по конструкции, надежны в работе, имеют малые габаритные размеры. Принцип работы вибродатчика заключается в преобразовании вибрации какой-либо поверхности двигателя (например, стенки блока цилиндров) в электрический сигнал. Выходной сигнал датчика требует специальной обработки для обеспечения точной регистрации момента возникновения детонации.
Датчик детонации необходимо устанавливать в таком месте, где обеспечивается надежная регистрация начала детонации во всех цилиндрах. На двигателях с большим числом цилиндров могут быть установлены два датчика детонации, работа которых должна быть синхронизирована с вращением распределительного вала.
Рис.9. Пьезоэлектрический вибродатчик: 1 - основание; 2 ~ пьезоэлементы;
3 - инерционная масса; 4 - латунная фольга; 5 - крышка; 6 - кабель;
7 - электрический разъем
Преобразователь вибродатчика состоит из двух параллельно включенных кварцевых пьезоэлементов 2. При возникновении вибрации, вызванной детонацией, инерционная масса 5, выполненная из сплава высокой плотности, воздействует на пьезоэлементы, в результате чего на их обкладках благодаря пьезоэффекту появляется переменное напряжение. С пьезоэлементов 2 сигнал снимается с помощью вывода из латунной фольги 4, соединенного с кабелем б. Все элементы датчика закреплены на основании 1 из титанового сплава. Со стороны нижнего торца в основании предусмотрено резьбовое отверстие под шпильку крепления датчика на объекте измерения. Резьбовая крышка 5 также закреплена на основании.
Датчик легко установить на двигателе, он вырабатывает четкий сигнал о возникновении детонации с незначительным влиянием звуковых колебаний в результате шума двигателя, однако чувствителен к детонации только в близко расположенных к нему цилиндров.
8. Датчики концентрации кислорода
На современном автомобиле проблемы нейтрализации токсичных веществ в выхлопных отработавших газах (ВОГ) решаются установкой специальных катализаторов. Эти устройства надежно работают совместно с системой впрыска бензина, которая оснащена датчиком (или двумя) концентрации кислорода (ДКК) в выпускном тракте двигателя.
Кислородный датчик вырабатывает сигнал обратной связи для электронного блока управления впрыском (ЭБУ-В), который корректирует состав ТВ-смеси по коэффициенту избытка воздуха на входе системы. Корректировка реализуется форсункой изменением продолжительности впрыска бензина.
Рис.10. Датчик концентрации кислорода
Датчик кислорода состоит из двух платиновых электродов и твердого электролита из диоксида циркония между ними. Диоксид циркония имеет пористую структуру и нанесенные с обеих сторон (в вакууме) на его поверхность тонкие пленки платины (электроды), тоже пористые, с микроскопическими отверстиями. По газовым потокам электроды разобщены так, что один из них находится во внешней окружающей атмосферной среде (ВАС), а другой – в выходных отработавших газах (ВОГ). Таким образом создается электрохимическая система, которая становится активной при нагреве до температуры выше 350°С.
Датчик вворачивается в трубу 1 выпускного коллектора. Атмосферный воздух (ВАС) попадает внутрь активного элемента 4 датчика через воздушные каналы 6, просверленные в крепежном корпусе 8. Выхлопные отработавшие газы (ВОГ) омывают наружную поверхность 3 активного элемента 4, к которому они проникают через прорези 16 в защитном колпачке 2. Наружный контактный платиновый слой 3 активного элемента 4 электрически соединен с корпусом 8 и далее через уплотнительную шайбу 14 - с «массой» двигателя. Внутренний платиновый слой 5 (положительный электрод) соединен с клеммой 11 выходного сигнального контакта посредством прижимного контактного соединения 7 и соединительного штыря 12 с контактной шайбой 15. Внутренняя полость 13 - керамический изолятор.
Рабочая характеристика кислородного датчика показана на рис.11. При коэффициенте ? > 1 величина Uвых < 0,1В. Три ? < 1 Uвых изменяет свою величину скачком до 0,9 В. Образовавшаяся ступенька имеет средний уровень 0,42...0,45 В, который соответствует коэффициенту избытка воздуха а = 1. Таким образом, с помощью кислородного датчика можно легко зафиксировать момент, когда ТВ-смесь становится стехиометрической. Этим пользуются для создания так называемого окна экологической безопасности <0,98 < ? < 1,02 при работе системы впрыска, когда выброс токсичных веществ с отработавшими газами становится минимальным.
Рис.11. Рабочая характеристика датчика концентрации кислорода
9. Проверка технического состояния датчиков
Большинство датчиков из числа вышеописанных может быть проверено с помощью стрелочного тестера или цифрового мультиметра. Эти приборы позволяют определять такие параметры датчиков, как резистивность электрических цепей, наличие или отсутствие контактного соединения, электрическое напряжение. Все эти параметры могут быть определены только в статическом состоянии, когда датчик отключен от системы управления. Такая проверка не дает объективной информации о всех неисправностях датчика, так как в этом случае он проверяется без воздействия реальных воздействующих факторов.
Рис. 12. Автомобильный электронно-цифровой осциллограф с датчиками
Для диагностики автомобильных электронных систем автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д) и их составных компонентов применяются специальные автомобильные электронно-цифровые (рис.12) осциллографы (АЭЦО). АЭЦО выпускаются в составе стационарных мотор-тестеров или как автономное контрольно-измерительное устройство.
Как и в обычных аналоговых электронных осциллографах, на экране АЭЦО по горизонтали отображается время развертки, а по вертикали - исследуемый параметр - напряжение или ток. Время развертки стабилизировано кварцевым генератором и переключается по длительности дискретно.
В отличие от тестерной проверки цифровой осциллограф обеспечивает контроль параметров датчиков на работающем двигателе. Это позволяет обнаруживать не только устойчивые неисправности, но и нерегулярные погрешности датчиков, которые отчетливо проявляются в «динамике».
Основной принцип диагностирования технического состояния датчика с помощью цифрового осциллографа заключается в сравнении формы сигнала с его печатной образцовой формой — шаблоном. База данных шаблонов приводится в специальных программах по ТО и ремонту автомобилей.
Рис. 13. Шаблон сигнала датчика температуры
На рис. 13 представлен шаблон графика изменения сигнала датчика температуры двигателя (ДТД). Этот сигнал является медленно изменяющимся знакопостоянным положительным напряжением, величина которого падает от 5-ти до 1-го вольта по мере прогрева двигателя.
Рис.14. Шаблон сигнала датчика дроссельной заслонки
На рис. 14 приведена временная диаграмма - шаблон сигнала потенциометрического датчика положения дроссельной заслонки. Величина сигнала может изменяться от 1 В при закрытой дроссельной заслонке до 5 В при полном ее открытии.
Вывод:
