SENZORI UTILIZAȚI PE AUTOVEHICUL La bordul unui autovehicul modern este necesară măsurarea mai multor mărimi fizice, ceea ce se realizează cu ajutorul unei largi game de traductoare. În continuare, se vor prezenta diferitele traductoare după domeniul de variație al mărimii de interes și aplicațiile tipice de măsurare.

Măsurarea turațiilor

Senzorii de turaţie sunt des utilizaţi pentru măsurarea turaţiilor următoarelor subansambluri: - arborelui cotit al motorului; - arborelui cu came; - arborelui de intrare în cutia de viteze; - arborelui de ieşire din cutia de viteze; - roţilor.

Practic, se utilizeazǎ următoarele tipuri de senzori de turaţie: - inductivi, cu reluctanţǎ magneticǎ variabilǎ; - cu efect Hall. - Optici. - Sistemul de management al motorului utilizează senzorul de turaţie pentru calculul unghiului de avans şi a timpilor de injecţie. Astfel, ansamblul disc danturat-senzor furnizează 60 de impulsuri la o rotaţie a arborelui motor, inclusiv un impuls de marcare a punctului mort superior al motorului generat de lipsa a unui dinte, care foloseşte ca impuls de strobare a proceselor de calcul.

În stânga – traductorul inductiv de turație; 1 – magnet permanent, 2 – conector electric, 3 –

suport metalic, 4 – piesă polară, 5 – bobinaj electric, 6 – disc danturat; În dreapta – ansamblul traductor de turație; 1 – senzor, 2 – disc danturat, 3 – marcajul de

strobare prin lipsa unui dinte.

Efectul Hall este de naturǎ galvanometricǎ şi constǎ în modificarea liniilor de câmp ale densităţii curentului de comandǎ Iv, care duce la modificări ale intensităţii câmpului electric dintr-o placǎ semiconductoare plasatǎ transversal într-un câmp magnetic B, produs de un magnet permanent. Tensiunea Hall UH, este datǎ de relaţia:

UH=RHBiv/d

unde RH este constanta Hall, care este o caracteristicǎ de material.

Senzorul de tip Hall; B – câmp magnetic, IH – curent Hall, IV – curentul de alimentare, UH –

tensiunea Hall, d – grosimea semiconductorului.

Diferenţierea între modurile de funcţionare ale celor douǎ tipuri de senzori se poate analiza în figura de mai jos, unde în a se prezintă vizualizarea semnalului generat de un senzor inductiv, cu marcarea PMS, cu precizarea cǎ la turaţii joase amplitudinea semnalului, aproximativ sinusoidal, poate scădea până la 0.3 Vef, ceea ce face necesarǎ o prelucrare ulterioarǎ pentru a se obţine un semnal procesabil de către unitatea electronicǎ, pe când senzorul Hall furnizează un semnal rectangular, cu fronturi clare b, care sunt mai puţin supuse perturbaţiilor exterioare, apte de a fi procesate.

În ambele cazuri, frecvenţa trenului de impulsuri este proporţionalǎ cu turaţia arborelui n şi cu numărul de dinţi ai discului z, şi este datǎ de relaţia:

f = nz/60 [Hz]

Semnalul generat de un senzor de turaţie a) inductiv; b) de tip Hall.

O metodă modernă de măsurare atât a turației, cât și marcarea punctului mort superior al

motorului este metoda optică, a cărei ilustrare a principiului ei de funcționare este dat în figura următoare. Acesta este un traductor de tip incremental, el permițând determinarea atât a turației, cât și a sensului de rotație.

Senzor optic de turație și de marcaj de unghi mort

Măsurarea debitului aerului de admisie Senzorii de debit al aerului de admisie sunt utilizaţi de către managementul grupului

motopropulsor pentru măsurarea indirectǎ a momentului dezvoltat de către motor şi se pot clasifica în douǎ mari grupe, după următoarele mărimi caracteristice: - debitul volumetric, proporţional cu viteza aerului v şi cu secţiunea conductei A

Qv = dV/dt = d/dt(Al) = adl/dt = Av

- debitul masic, proporţional cu densitatea aerului ρ

Qm = dm/dt = d/dt(ρV) = ρQv

Mǎsurarea debitului volumetric se reduce la mǎsurarea vitezei v de curgere a aerului printr-o secţiune cunoscutǎ, iar pentru mǎsurarea debitului masic este necesar a se cunoşte densitatea ρ; ambele mǎrimi fiind dependente de temperaturǎ se impune o corecţie cu aceasta, cu ajutorul unui senzor de temperaturǎ. Funcţionarea unui debitmetru volumetric de aer este ilustratǎ în figura de mai jos (a), unde se prezintǎ un debitmetru cu corp plutitor sub forma unei aripi rabatabile, iar în aceeaşi figură, (b), este arǎtat un debitmetru masic, care funcţioneazǎ dupǎ principiul termoanemometriei, cu peliculǎ termicǎ, denumită hot film.

a) Debitmetru volumetric de aer; 1 - reglaj amestec la mers în gol; 2 - clapetǎ de măsura; 3 - opritor; 4 - clapetǎ de compensare; 5 - camerǎ de amortizare; 6 - senzor de temperaturǎ a

aerului; b) Debitmetru masic de aer; 1 - element de încălzire; 2 - distanţier; 3 - etaj electronic de ieşire; 4 - etaj formator; 5 - element sensibil.

Amplasarea debitmetrului volumetric în colectorul de admisie al unui motor cu aprindere prin scânteie:

1 – clapeta de accelerație, 2 – debitmetru de aer, 3 – semnalul emis de senzorul de

temperatură, 5 – semnalul emis de debitmetru, 4 – modulul electronic, 6 – filtrul de aer

O desfășurare a dispozitivului mecatronic, cu evidențierea elementului sensibil:

În stânga – debitmetrul cu fir cald; 1...3 – suportul electronic, 4...9 – elemente ale corpului

debitmetrului, 11, 12 – elemente sensibile de tip fir cald, 13 – element sensibil de tip rezistență peliculară;

În dreapta – elementul sensibil 13, de tip pelicuar; a – secțiune transversală, b – secțiune longitudinală; 1 – corp, 2...4 – suportul electronic, 5 – elementul sensibil (hot film).

O secțiune prin corpul debitmetrului și schema electrică de principiu de măsurare a debitului prin metoda termoanemometrică.

În stânga – secțiune prin corpul debitmetrului, 1 – elementul sensibil;

În dreapta – puntea de măsură, care constituie un termoanemometrul cu temperaturǎ constantǎ; R1, R5 - braţ de compensare termicǎ; R2 - senzor cu peliculǎ metalicǎ; R3, R4 -

rezistenţe de calibrare la viteze nule, respectiv la viteze maxime

Puntea de mǎsurǎ din figura de mai sus va livra o tensiune de ieşire, care va fi prelucratǎ de cǎtre ECU și care este datǎ de o relaţie de forma:

U² = vo² +Kt v

Măsurarea conținutului de oxigen rămas nears din gazele de evacuare

Senzorii λ închid bucla generalǎ de reacţie negativǎ în sistemele moderne de management

a grupului motopropulsor prin mǎsurarea conţinutului de oxigen rǎmas nears în urma combustiei, fiind parte integrantǎ a sistemului de management şi conducând într-un final la reducerea emisiilor poluante.

În stânga – Sonda λ cu zirconiu; 1 – substratul ceramic, 2, 3 – electrozi din platină, 4 – conexiunile electrice, 5 – electrodul comun, Uλ – tensiunea λ;

În dreapta – caracteristica de transfer a sondei λ

Senzorul λ de tip EGO (Exhaust Gas Oxigen senzor) are o caracteristicǎ de funcţionare de tip releu; el prezintă în jurul valorii λ = 1, un salt de tensiune de aproximativ 1 V, care

delimiteazǎ cele douǎ regimuri caracteristice de funcţionare a motorului, respectiv cu amestec bogat sau sǎrac. În figura următoare se reprezintǎ variaţia aproximativ liniarǎ a unui senzor universal de oxigen denumit Breiston sau UEGO (Universal Exhaust Gas Oxigen senzor), capabil sǎ reproducǎ pe o scarǎ a mǎrimilor electrice rapoarte de aer / combustibil de pânǎ la 35:1, necesare în cazul arderii amestecurilor sǎrace. Semnalul furnizat de un senzor λ de tip EGO este continuu comparat de cǎtre unitatea de control cu o valoare de referinţǎ stabilitǎ la 0.45 V, care reprezintǎ frontiera de separaţie marcatǎ de valoarea λ = 1.

Schema sondei Breiston; a – 1...5 – electrozi de control și de achiziție semnal, 6 – blocul

electronic de condiționare; b – Caracteristica de ieșire.

În figura de mai jos se prezintă o machetă didactică în care se exemplifică un aranjament cu trei sonde λ, care închid trei bucle de reacție negativă, asistate de măsurarea temperaturii gazelor de evacuare.

Amplasarea sondelor λ și a senzorilor de temperatură în jurul catalizatorului.

O soluţie constructivǎ se prezintǎ în figura de mai jos (a), unde se ilustreazǎ modalitatea de încǎlzire a senzorului, datoritǎ faptului cǎ acesta nu intrǎ în funcţiune decât la temperaturi de peste 350 ºC, iar în aceeaşi figură (b) se aratǎ modul de procesare al semnalului util, în jurul valorii λ = 1.

a) Senzor λ; 1 - carcasǎ; 2 - inel ceramic; 3 - mufǎ de ieşire; 4 - carcasǎ de protecţie cu fanta de mǎsurǎ; 5 - element activ; 6 - contact electric; 7 - protecţie termicǎ; 8 - element de încǎlzire; 9 - contact de încǎlzire. b) Modul de variaţie al semnalului procesat

Măsurarea temperaturii Senzorii de temperaturǎ sunt utilizaţi pentru determinarea temperaturii aerului de admisie

sau a motorului, prin mǎsurarea temperaturii apei de rǎcire sau a uleiului de ungere, pe baza cǎrora sistemul ia decizii asupra unghiului de avans, a duratei de injecţie etc. Dintre diferitele modalitǎţi de mǎsurare a temperaturii, sau impus în ultimii ani metodele de mǎsurare cu termistoare, datoritǎ avantajelor oferite de acestea faţǎ de alte metode (cu termorezistenţe sau termocupluri), şi anume: - domeniul de temperaturi –100...300ºC; - sensibilitate ridicatǎ; - variaţii mari ale rezistenţelor mǎsurate; - dimensiuni reduse, care duc la timpi de rǎspuns extrem de mici.

Modul de variaţie al rezistenţei intrinseci a unui termistor este descris de o relaţie exponenţialǎ cu forma tipicǎ urmǎtoare:

Rt = a·expt

b

unde, a – constantǎ dependentǎ de forma şi dimensiunile termistorului; b – constantǎ caracteristicǎ materialului semiconductor utilizat şi care poate avea

valori pozitive sau negative, dupǎ care termistoarele se pot grupa în douǎ categorii: - PTC – Pozitive Temperature Coefficient, care au o variaţie a rezistenţei pozitivǎ cu

creşterea temperaturii; - NTC – Negative Temperature Coefficient, care au o variaţie a rezistenţei negativǎ cu

creşterea temperaturii. Pentru exemplificare, în continuare se prezintǎ modul de variaţie al rezistenţei şi tensiunii

de ieşire din puntea de mǎsurǎ a unui termistor de tip NTC.

Variaţia rezistenţei intrinseci şi a tensiunii de ieşire în cazul unui NTC

Măsurarea presiunilor Senzorii de presiune sunt larg utilizaţi de cǎtre managementul grupului motopropulsor,

care pe baza informaţiilor primite ia decizii privind furnizarea şi formarea amestecului carburant, recircularea gazelor arse, momentele optime de schimbare a vitezelor etc. şi mǎsoarǎ presiunea în urmǎtoarele puncte principale ale grupului motopropulsor: - presiunea aerului de admisie, cu ajutorul senzorilor de presiune absolutǎ, numiţi MAP

(Manifold Absolute Pressure), una dintre informaţii referinduse la altitudinea de funcţionare a grupului motopropulsor;

- presiunile de lucru şi cele corectate din circuitele de alimentare cu combustibil; - presiunile de lucru şi cele corectate din circuitele hidraulice ale transmisiilor automate,

semiautomate şi ale sistemelor ABS/ASR; - presiunile din circuitele sistemelor automate ale distribuţiei variabile, ale supraalimentǎrii

sonice sau forţate, etc. Din multitudinea constructivǎ a senzorilor de presiune, se prezintǎ în figura de mai jos un

senzor piezorezistiv de presiune absolutǎ, de largǎ întrebuinţare şi care face parte din clasa senzorilor inteligenţi. El este necesar pentru măsurarea presiunii atmosferice, care depinde de altitudine; un astfel de senzor poate detecta o diferență de altitudine de 0.4 m, la sensibilitate maximă.

Pentru asigurarea unei rulări cu pierderi minime, autovehiculul trebuie echipat cu pneuri corespunzătoare; o scădere a presiunii în pneu cu 0.3 bar conduce la o creștere a rezistenței la rulare cu aproximativ 20 %. Controlul umflării pneurilor este asigurat de senzori de presiune și de temperatură, care transmit informația prin unde radio prin modulare în frecvență; în Europa, sistemul utilizează o frecvență purtătoare de 433 MHz. În figură se prezintă un astfel de senzor, care se poate utiliza cu o gamă largă de ventile.

Senzor de presiune absolutǎ;

În stânga – MAP, 1 - borne de ieşire; 2 - circuit de condiţionare a semnalulului; 3 - membranǎ piezoelectricǎ de mǎsurǎ; 4 - canal de aducţiune; 5 - corp de prindere;

În dreapta – senzor combinat de presiune și de temperatura pneului

Măsurarea deplasărilor

Senzorii de deplasare sunt utilizaţi pentru mǎsurarea deplasǎrilor unghiulare ale volanului, mai ales ale clapetei de acceleraţie, sau liniare – ale deplasǎrilor ambreiajului, levierelor de comandǎ ale cutiei de viteze, etc.

În figurile de mai jos se prezintă un senzor incremental digital de deplasare unghiulară, care poate fi codat binar reflectat sau binar natural și codorul său.

Senzor digital incremental.

a – Encoder digital codat binar reflectat; b – codat binar natural.

Un senzor inductiv de deplasare liniară este constituit de un ansamblu inductiv bazat pe trei bobine amplasate cilindric, în interiorul căruia culisează un miez magnetic, a cărui deplasare l este proporțională cu variația inductanței mutuale a celor trei bobine, după relația:

21 BBKLl

Senzor de deplasare inductiv

Măsurarea detonațiilor

Senzorii de detonaţie măsoară vibraţiile blocului motor într-unul sau mai multe puncte, în

momentele apariţiei regimurilor de ardere detonantǎ. Ei fac parte din categoria senzorilor piezoelectrici, o secţiune printr-un model reprezentativ fiind ilustratǎ în figura de mai jos şi furnizează un semnal, pe care ECU îl descompune în serie spectralǎ. Analiza spectrului Fourier determinǎ cu ajutorul unui filtru trece-bandǎ o componentǎ dominantǎ, carcateristicǎ fiecǎrui tip de bloc motor şi decide micşorarea unghiului de avans, în general cu 6 ºRAC, la o detonaţie singularǎ şi cu 12 ºRAC la detonaţii multiple.

Senzor piezoelectric de detonație, 1, 2, 5 – elemente de montaj, 3 – lamelă de pretensionare,

4 – masă inerțială, 6 – element piezoelectric