Датчики давления

На современных автомобилях используется большое число датчиков давления (от давления масла до дифференциального давления воздуха по разные стороны кузова), и их количество постоянно растет.

Измерение давления в различных жидкостных и газообразных текучих средах производится на автомобиле в процессе разработки, производства и эксплуатации. Результаты этих измерений необходимы для проведения экспериментальных исследований, обеспечения нормальной безопасной эксплуатации автомобиля, выдачи информации водителю, для диагностики.

В зависимости от измеряемого параметра могут применяться разные единицы измерения давления. В системе СИ это паскаль (Па) или килопаскаль (кПа). Независимо от метода измерения в технических системах определяется избыточное, абсолютное или дифференциальное давление.

Современный серийный автомобиль имеет несколько датчиков для измерения давления, например, разрежения во впускном коллекторе, давления масла в двигателе и т. д.

Водителю обычно выдается информация со следующих датчиков: давления масла в двигателе, уровня топлива, уровня масла, давления охлаждающей жидкости, уровня охлаждающей жидкости, уровня жидкости в омывателе, уровня жидкости в коробке переключения передач, давления в шинах.

Датчики барометрического давления и абсолютного давления во впускном коллекторе. Такие датчики используются в системах управления двигателем при определении массы топлива по объемному расходу воздуха. Этот способ дешевле в реализации по сравнению с непосредственным измерением массового расхода воздуха, но менее точен. Могут использоваться только для диагностики в бортовых диагностических системах второго поколения OBD-II.

Датчики барометрического (атмосферного) давления нужны для адаптации ЭБУ к перепадам высоты и изменениям погоды. Они применяются совместно с расходомером воздуха по объему. Часто это один и тот же датчик, тогда измерение атмосферного давления производится, когда зажигание включено, а двигатель еще не работает. При езде в горах иногда приходится специально останавливаться и перезапускать двигатель для адаптации системы управления подачей топлива к новой высоте.

Выпускаются и сдвоенные датчики (рисунок 8). Вход барометрического датчика остается открытым и на него подается атмосферное давление, вход датчика разрежения соединяется вакуумным шлангом с впускным коллектором.

Рисунок 8 – Комбинированный датчик барометрического давления и разряжения:

1 – вакуумный шланг; 2 – шланг в атмосферу

Барометрические датчики и датчики давления, применяемые для измерения разрежения во впускном трубопроводе, могут быть различных конструкций. Датчики давления дискретного действия представляют собой устройство, где замыкание и размыкание контактов происходят под действием упругой мембраны, испытывающей измеряемое давление.

Датчики давления непрерывного действия представляют собой либо потенциометр, ползунок которого связан с мембраной, либо катушку индуктивности, в которую мембрана под действием давления вдвигает магнитный сердечник.

Современные интегральные датчики (рисунок 9) подключаются к микропроцессору ЭБУ через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для 8-разрядного контроллера шаг дискретизации может составлять до 4 мс, для 16-разрядного – до 2 мс.

Погрешность датчика абсолютного давления во впускном коллекторе обычно около 1%.

Датчик барометрического давления работает в диапазоне 60...115 кПа, имеет погрешность около 1,5%. По краям рабочего диапазона, как по температуре, так и по давлению, погрешность растет.

Рисунок 9 – Современный интегральный датчик давления в защитном корпусе

Датчики абсолютного давления в двигателях с наддувом работают в диапазоне давлений 20...200 кПа.

Рассмотренные датчики имеют, как правило, интегральное исполнение и крепятся к стенкам соответствующих трубопроводов.

Широкое распространение получили полупроводниковые датчики с преобразователем давления на кремниевом кристалле, в работе которого используется пьезорезистивный эффект. На поверхности кристалла сформирован мостик сопротивлений, ток через которые изменяется под действием деформации. Затем ток усиливается и вводится температурная компенсация. Эти датчики отличаются небольшими размерами и высокой надежностью. Интегральные датчики очень технологичны, их выходной сигнал унифицирован для подключения к аналоговым или импульсным входам микроконтроллера.

Рисунок 10 – Упрощенная электрическая схема датчика абсолютного (атмосферного) давления с цепями компенсации:

А – цепь температурной компенсации; В – измерительный мост; С – подстройка нуля; D – коэффициент усиления; Е – термокомпенсация усилителя

Информацию о давлении в зависимости от конструкции датчика несет величина выходного напряжения или его частота.

На автомобилях они традиционно основаны на преобразовании перемещения упругой диафрагмы в положение переключателя или движка потенциометра. На таком принципе работают все датчики давления масла в ДВС прежних конструкций. Сегодня электромеханические датчики заменяются на кремниевые или керамические интегральные. Непосредственно в корпусе датчика размещают унифицирующие преобразователи. Имеется защита от электромагнитных помех, микросхемы работают при температуре -40...+150 ºС в условиях вибраций, при давлении до 3440 кПа, в агрессивных химических средах. Из соображений стоимости корпуса датчиков изготовляются из пластмассы, устойчивой к перечисленным воздействиям.

Информация о давлении масла в коробке переключения передач используется контроллером, управляющим переключением скоростей. Требования к датчику здесь такие же, как и при измерении давления масла в двигателе.

Рисунок 11 – Датчик разрежения во впускном трубопроводе

Давление жидкости в тормозной гидравлической системе гораздо выше, чем в коробке переключения передач. Например, в ABS оно может достигать 3440 кПа. Давление жидкости в тормозной системе автомобиля около 1030 кПа, оно измеряется датчиками на легковых автомобилях на этапе испытаний и на тяжелых грузовиках при эксплуатации. На пассажирском автомобиле достаточно иметь один датчик давления для контроля за гидравлической системой. Например, в системе ABS-VI фирмы GM давление оценивается по току электродвигателей насосов.

Мембранные потенциометрические датчики. Чувствительным элементом является гибкая диафрагма или мембрана. При изменении давления ее перемещение преобразуется в положение движка потенциометра. Для потенциометрических датчиков характерны повышенный уровень шума, износ, статическое трение затрудняет регулирование в диапазоне менее 0,5% от номинала.

Резистивный проволочный потенциометр со скользящим контактом – один из наиболее простых и эффективных преобразователей перемещения. Для его использования нужно лишь соединить скользящий контакт (движок) с движущимся объектом, а остальную часть потенциометра закрепить неподвижно. Но движок потенциометра контактирует с отдельными витками на катушке, поэтому выходной сигнал (напряжение) преобразователя изменяется не непрерывно, а в виде перемежающихся малых и больших скачков. Малый скачок имеет место, когда движок замыкает два соседних витка, большой скачок соответствует моменту перехода движка к следующему витку и размыкания контакта с предыдущим витком. Таким образом, разрешение этого преобразователя зависит от диаметра намоточного провода и может быть улучшено путем использования более тонкого провода. Для потенциометра с плотностью намотки 50 витков на миллиметр, что близко к практическому пределу, предельное разрешение составляет 20 мкм.

Сегодня в потенциометрических датчиках используется пленочное покрытие резистивной дорожки.

Датчики давления на основе линейных дифференциальных трансформаторов (ЛДТ). В этих датчиках смещение диафрагмы преобразуется в перемещение сердечника ЛДТ. Такие датчики ранее на автомобилях не применялись.

Линейный дифференциальный трансформатор – это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходной электрический сигнал, пропорциональный перемещению ферромагнитного сердечника. ЛДТ состоит из первичной и двух вторичных обмоток, симметрично расположенных на цилиндрическом каркасе. Свободно движущийся внутри обмоток ферромагнитный сердечник в форме стержня обеспечивает связь этих обмоток через магнитный поток. На рисунке 12 показана конструкция ЛДТ и приведена его принципиальная электрическая схема.

Рисунок 12 – Линейный дифференциальный трансформатор и его принципиальная схема

При возбуждении первичной обмотки с помощью внешнего источника переменного напряжения в двух вторичных обмотках наводятся ЭДС взаимоиндукции. Вторичные обмотки включены последовательно и встречно, поэтому результирующий выходной сигнал преобразователя представляет собой разность этих напряжений и равен нулю, когда сердечник находится в центральной (или в нулевой) позиции. При уходе сердечника из этой позиции напряжение, индуцируемое в той вторичной обмотке, к которой движется сердечник, возрастает, а напряжение, индуцируемое в другой вторичной обмотке, уменьшается. В результате вырабатывается дифференциальный выходной сигнал, величина которого линейно зависит от положения сердечника. Фаза выходного напряжения изменяется скачком на 180° при переходе через нулевую позицию.

Полезную информацию о перемещении несут амплитуда и фаза выходного сигнала. Приходится использовать фазочувствительные демодуляторы, они имеются в интегральном исполнении.

На автомобилях ЛДТ могут применяться в датчиках абсолютного давления впускного коллектора, где они преобразуют перемещение мембраны в электрический сигнал.

ЛДТ обеспечивает погрешность преобразования перемещения сердечника в напряжение порядка 0,25%.

Первичная обмотка запитывается синусоидальным напряжением 3...15 В с частотой 2...5 кГц. Коэффициент трансформации дифференциального трансформатора 10:1...2:1.

ЛДТ характеризуется отсутствием трения, стабильностью нуля, гальванической развязкой входа и выхода, может работать в агрессивных средах.

Емкостные датчики давления. В таких датчиках одна из обкладок конденсатора является диафрагмой, которая прогибается при изменении давления. Номинальная емкость конденсатора определяется зависимостью С = A∙k∙e/d, где А – площадь обкладки, е – диэлектрическая постоянная, d – расстояние между обкладками, к – коэффициент, зависящий от конструкции датчика. В качестве чувствительных элементов используются кремниевые или керамические диафрагмы.

Рисунок 13 – Емкостный датчик

На рисунке 13 показан емкостный датчик с кремниевым чувствительным элементом для измерения разрежения.

Кремниевая диафрагма закреплена на корпусе из стекла Pyrex, поверхность стекла металлизирована для создания обкладки конденсатора методом фотолитографии. После закрепления кремниевой диафрагмы на стеклянной основе специальным герметиком в полости создается вакуум, отверстия запаиваются припоем который образует выводы конденсатора для монтажа на печатную плату или керамическую подложку. Емкость конденсатора меняется линейно примерно от 32 до 39 пФ при изменении давления от 17 до 105 кПа. Размеры датчика 6,7х6,7 мм коэффициент ТКЕ - (30...80)•10^-6 на ºС, нелинейность менее 1,4%, время установления показаний менее 1 мс. Выходной сигнал датчика для подключения ЭБУ обычно преобразуют в частоту.

Аналогично устроены и керамические датчики.

Стекловолоконный датчик давления. Для измерений больших давлений или при высоких температурах применяются специальные методы. Стекловолоконный датчик возможно будет использоваться для непосредственного измерения давления в камере сгорания на серийных автомобилях. Это нужно для управления двигателем и контроля процесса воспламенения рабочей смеси.

Стекловолоконный, иногда говорят волоконно-оптический, датчик (рисунок 14) выдерживает температуры до 550 °С (больше, чем пьезоэлектрический), рабочие диапазон давлений 0...7000 кПа.

Рисунок 14 – Стекловолоконный датчик давления

Световое излучение от источника проходит через оптическое волокно и попадает на диафрагму расходящимся пучком. Отраженное от диафрагмы излучение проходит по другому каналу кабеля. Интенсивность обратного светового излучения зависит от зазора D и положения диафрагмы. Опытные образцы датчиков монтировались непосредственно в свечу зажигания и имели погрешность менее 5%.

В качестве датчиков аварийного давления и для выполнения прочих несложных функций в современных автомобильных системах, наряду с вышеописанными, по-прежнему применяются простейшие контактные датчики.

Датчикам давления с мембранным чувствительным элементом 3 (рисунок 15, а) присущи существенные недостатки: наличие механических элементов и сравнительно большое число звеньев в цепи передачи информации, что отрицательно сказывается на точности и надежности измерительной системы.

Рисунок 15 – Датчики давления

В бесконтактных индуктивных датчиках при перемещении чувствительного элемента – мембранной камеры 9 (рисунок 15, б) изменяется воздушный зазор в магнитопроводе, магнитное сопротивление магнитопровода и индуктивность катушки. Катушка включена в измерительный мост. При разбалансировке моста появляется электрический сигнал, поступающий в блок управления.

Применение микроэлектронной технологии позволило перейти к полностью статическим конструкциям датчиков. На рисунке 15, в показан интегральный датчик давления с полупроводниковыми тензоэлементами.

Дата добавления: 2015-08-13