181

CAPITOLUL 13

TRADUCTOARE PENTRU AUTOMOBILE

13.1 Traductoare de temperatur, cldur i umiditate

13.1.1 Generaliti Msurarea temperaturii i luarea n consideraie a efectului su asupra

performanelor i fiabilitii componentelor automobilului este unul din cele mai importante aspecte ale proiectrii autovehiculului. Sursele de cldur din automobilele moderne sunt: motorul, convertoarele catalitice, pierderile n convertoarele de putere (de exemplu., alternatorul) i dispozitivele generatoare de cldur ca: parbrizele, scaunele i oglinzile nclzite. Umiditatea se adaug la efectul temperaturii asupra fiabilitii componentelor i influeneaz performanele autovehiculului i confortul pasagerilor.

Temperatura unui corp sau a unei substane este potenialul su de debit de cldur, msura energiei cinetice medii a moleculelor sale i starea sa termic, adic abilitatea sa de a transfera cldura la alte corpuri sau substane.

Temperatura afecteaz fiecare aspect al automobilului, de la performanele motorului i a diverselor sisteme, la confortul oferului i pasagerilor. Gama mare a temperaturilor de funcionare a autovehiculului (-60C ... +57C) i cea a modulelor electronice de sub capot (- 40C ... +125C) i din compartimentele pasagerilor (-40C ... +85C), afecteaz performanele i fiabilitatea componentelor electronice.

Vscozitatea fluidelor de ungere i de rcire este, de asemenea, afectat de variaiile mari de temperatur ce trebuie tolerate.

Chiar vopseaua, esturile, materialele plastice, obiectele de cauciuc i alte materiale organice i anorganice trebuie proiectate pentru a supravieui mediilor cu temperaturi i umiditate extreme. Msurarea temperaturii acestor componente este esenial n timpul proiectrii i dezvoltrii autovehiculului. Energia termic se transfer cu variaiile corespunztoare de temperatur prin conducie, convecie i/sau radiaie. Conducia are loc prin difuzia n materiale solide, lichide sau gaze staionare; convecia implic micarea lichidului sau gazului ntre dou puncte, iar radiaia are loc prin unde electromagnetice.

182

Surse de cldur n autovehicule Pe lng creterea temperaturii generat de razele soarelui asupra metalului sau

sticlei din caroseria autovehiculului, exist multe dispozitive generatoare de cldur ntr-un autovehicul, exemplificate n tabelul 13.1.

n automobilele echipate cu motor cu ardere intern, principala surs de cldur este motorul. Din acest motiv compartimentul motor este clasificat ca un mediu cu +125C pentru componentele electronice, cu toate c se ating temperaturi mult mai mari n camera de ardere (> 1000C) sau pe blocul motor.

Tabel 13.1

Categoria Exemplu Temp. max. [C] Motor Convertor catalitic Frecare pneuri drum Frne Micare mecanic Schimbtoare de cldur nclzitoare electrice nfurri electrice Rezistoare Becuri Tranzistoare de putere Bateria de acumulatoare

Procesul de combustie/ aprindere Reacie chimic Pneuri Disc/ tambur Transmisie/ax spate/pompa de aer Radiator (rcitor), nclzitor Parbriz, scaune, oglinzi Motoare, alternatoare, solenoizi Rezistorul de balast Faruri, lmpi Comand aprindere, stabilizator Sulfur de sodiu

>1000 >1000 175 Ta +25

183

13.1.2 Msurri de temperatur n automobile

Msurarea temperaturii lichidelor n timpul fazei de dezvoltare a automobilului se msoar temperatura

lichidului de rcire, a uleiului din motor, uleiului din transmisie, combustibilului, lichidului de frn, electrotitului bateriei, etc.

Locul de montare, fluidul de contact i capsularea sunt critice pentru senzorii de temperatur pentru lichide. Gama de temperatur de msurat este tipic 40C ... +200C. La msurarea temperaturii electrolitului bateriei de acumulatoare se folosesc termometre sau termocupluri cu teac de sticl, pentru a proteja senzorul de electrolitul coroziv.

Msurarea temperaturii bateriei de acumulatoare Meninerea unei stri de ncrcare corecte a bateriei automobilului este

esenial pentru obinerea unei viteze adecvate de rotaie la pornire i pentru o durat de via optim a bateriei. Curba de ncrcare a bateriilor cu plumb necesit ca tensiunea de ncrcare s fie modificat n funcie de temperatur. La temperaturi sczute este nevoie de tensiuni mai mari. Temperaturile sczute impun ns cele mai dificile cerine bateriei, deoarece vscozitatea uleiurilor este mare i astfel sarcina pentru sistemul de pornire este foarte mare. Se folosesc circuite de compensare n stabilizatorul de tensiune din sistemul de ncrcare a bateriei, pentru a genera tensiune ntr-o gam acceptabil de funcionare a automobilului.

Bateriile pentru autovehicule electrice pot cere meninerea unei game mari de temperaturi de funcionare specificate. Pilele cu sulfur de sodiu pot stoca energie de patru ori mai mare dect cele cu plumb, dar temperatura de funcionare a bateriei trebuie meninut la 300C ... 350C.

Msurarea temperaturii catalizatorului Pentru a fi eficient, convertorul catalitic trebuie meninut la o temperatur

minim, uzual peste 350C. Pentru a crete eficiena n controlul emisiilor de gaze toxice, se folosesc tehnici de scdere a timpului de nclzire a catalizatorului:

- nclzirea scurt a catalizatorului prin aprinderea unui amestec msurat de combustibil i aer ntr-un arztor plasat naintea catalizatorului;

- nclzirea electric a catalizatorului, aceasta implicnd i creterea puterii consumate de sistemul de pornire.

Pentru msurarea temperaturii catalizatorului se introduce diagonal n el un termistor, constanta de timp de msurare fiind de 2 s.

Temperatura gazelor arse crete rapid n condiii severe de funcionare, ca vitez mare sau cifr octanic insuficient. Senzorul de temperatur trebuie plasat

184

n galeria de evacuare. Dac senzorul detecteaz o cretere a temperaturii gazelor arse, se comand mai mult combustibil injectat n camera de ardere, pentru a rci motorul.

Temperatura gazelor arse poate atinge 1000C i se folosete ca senzor un termocuplu din oxid de magneziu cu teac metalic.

Msurarea temperaturii senzorului de oxigen Senzorul de oxigen genereaz o tensiune n funcie de diferena concentraiilor

de oxigen din gazele arse i din mediul ambiant. Tensiunea generat este afectat de temperatur, iar senzorul de oxigen necesit o temperatur minim de funcionare de 450C.

Pentru a-i reduce timpul de nclzire se folosesc nclzitoare. Msurarea temperaturii pneurilor Se face mpreun cu msurarea presiunii, de exemplu folosind cte un senzor

de temperatur i presiune n fiecare roat. O anten circular i un transceiver transmit aceste semnale unui modul de procesare electronic, care comand un compresor de aer, pentru a menine presiunea dorit a pneurilor. Dac temperatura depete o anumit valoare, de exemplu + 85C, se comand scderea vitezei automobilului. 13.1.3 Msurarea umiditii n automobile

Creterea umiditii aerului absorbit reduce emisiile de oxizi de azot.

Condensul din rezervor adug o cantitate mare de umezeal n combustibil. Lichidele de frn sunt higroscopice i deci absorb umezeala. Nivele suficiente

de umezeal scad punctul de fierbere al lichidului de frn i eventual vaporizeaz lichidul, determinnd pierderea puterii de oprire. Pentru a msura punctul de fierbere al lichidului de frn, se folosete un element de nclzire care fierbe un eantion de lichid de frn, iar un microcontroler calculeaz punctul de fierbere efectiv, citind valoarea iniial a temperaturii, cderea de temperatur i timpul ntre rcire i fierbere. Acest concept poate fi aplicat i altor lichide ce pot fi verificate n timpul procedurilor de ntreinere.

Sistemele tradiionale de control a temperaturii n compartimentul pasagerilor folosesc doar temperatura ca semnal de comand pentru deschiderea uilor de amestec din sistemele de nclzire, ventilare i condiionare a aerului. Se poate folosi ns i semnalul de umiditate pentru a comanda viteza de rotaie a ventilatorului suflantei.

185

13.1.4 Senzori pentru msurarea temperaturii n automobile

Pentru msurarea temperaturilor, n producia de automobile i n timpul dezvoltrii, se folosesc mai multe tehnici. O list a senzorilor de temperatur este dat n tabelul 13.2.

Tabel 13.2

Senzori de temperatur Gama de temp. [C] folosire Termistor Termocuplu Comutator bimetalic Poteniometru +bimetal Termorezisten de Pt bobinat Jonciune semiconductoare Termostat (arc de presiune) Fibre optice Indicator cu schimbarea culorii Infrarou Termometru cu lichid

0 +500 -200 +3000 -50 +400 (+650) -40 +125 -200 +850 (-40 .. +200) -40 +200 -50 +500 +1800 +40 +1350 > temp. amb. -200 +1000

Producie Dezvoltare Producie Producie Dezv. (prod.) Producie Producie Dezv. viitoare Dezvoltare Dezv. viitoare dezvoltare

13.1.5 Senzor termic n infrarou pentru evitarea coliziunilor

Sistemele de evitare a coliziunilor formeaz o parte din sistemele de transport inteligente. Un traductor cu senzor termic n infrarou, conceput pentru evitarea coliziunilor autovehiculelor, folosete energia termic (n gama de lungimi de und 7 ... 14 m) emis de un alt autovehicul. Pentru aceasta, senzorul folosit este detectorul piroelectric, care rspunde la variaia energiei termice incidente.

Se folosesc dou tipuri de cmpuri de vedere care se compar. Traductorul se poate monta, de exemplu, pe oglinzile laterale. Dac un autovehicul este prezent ntr-un cmp de vedere i in cellalt nu, la ieire se obine semnal mare.

Caroseria unui automobil n funciune are temperatura mai mare cu cel puin 1 ... 2C dect mediul ambiant, deci emite suficient radiaie infraroie. i pneurile se nclzesc cu aproximativ 2C, dup 1 km rulat n condiii de ora.

Pentru evitarea coliziunilor se folosesc i alte tehnici, dar toate active, cu emisia unui semnal i detectarea semnalului reflectat de vehiculul int: ultrasonice, n infrarou, cu laser sau radar.

186

13.2 Traductoare pentru gaze de evacuare

13.2.1 Concepte de baz

Arderea Singurele produse ale unei arderi complete a combustibilului sunt substane

netoxice, i anume bioxid de carbon i ap:

OHnCOmOnmHC nm 222 24+

++

Cerina teoretic de aer pentru acest proces este 14,7 kg de aer pentru fiecare

kilogram de combustibil, aceasta corespunznd la aproximativ 10 m3 de aer la un litru de combustibil. Raportul aer / combustibil este definit ca stoichiometric atunci cnd motorul este alimentat cu cantitatea exact de aer cerut pentru ardere complet.

Raport normalizat aer /combustibil Raportul amestecului este definit de raportul normalizat aer / combustibil: = (raportul curent aer/combustibil) / (raportul stoichiometric) Deoarece condiiile din motor nu corespund cu cele absolute ideale, cerute

pentru o ardere perfect, rezult un numr de produse de ardere incomplet chiar dac este meninut un raport stoichiometric ( = 1). Astfel, CO2 i H2O sunt nsoite de CO, H2 i HC (hidrocarburi CxHy) alturi de anumite cantiti de oxigen liber nereacionat.

Echilibrul ap - gaz definete raportul CO la H2. La temperaturi mari de ardere, N2 i O2 din aerul de alimentare formeaz oxizi de azot ca: NO, NO3, N2O.

Compoziia gazelor de evacuare netratate Compoziia gazelor de evacuare care intr n convertorul catalitic variaz n

funcie de calitatea combustibilului i de raportul . Amestecurile bogate ( < 1, combustibil n exces) produc concentraii mari de CO, H2 i HC, iar amestecurile srace ( > 1, oxigen n exces) genereaz nivele mari de NOx i oxigen liber. Temperaturile mai sczute ale camerei de ardere, asociate cu raporturi de amestec cu > 1,2 au ca efect reducerea concentraiilor de NOx i creterea concentraiilor de HC. Emisiile maxime de CO2 au loc la un amestec uor srac ( 1,1).

Concepte de proiectare ale buclei nchise de control lambda Elementele principale care definesc sistemele de control n bucl nchis

lambda sunt: proiectarea motorului, limitele de emisie, consumul de combustibil i cerinele de performan i funcionare silenioas.

187

Tratarea catalitic a gazelor evacuate este esenial pentru respectarea standardelor de emisie curente. n procesul catalitic, CO, H2 i HC sunt oxidate pentru a forma CO2 i H2O, iar constituenii NOx sunt redui la N2 i O2. Convertorul catalitic cu trei ci (convertor catalitic selectiv) i un sistem de control n bucl nchis care folosete un senzor lambda sunt elementele eseniale pentru obinerea reducerilor adecvate a celor trei poluani. Motorul trebuie s funcioneze ntr-o gam ngust de variaie | < 0,005 la = 1.

Controlul lambda n bucl nchis este ncorporat n sistemul de control electronic al motorului. Sistemul de control regleaz parametrul n amonte de convertorul catalitic, cu ajutorul unui senzor de O2. Rezult ntrzieri mari ale sistemului de control, mai ales la viteze sczute. Din acest motiv, sistemul trebuie s conin o funcie pilot de control, capabil de reglarea amestecului la valoarea dorit, cu un grad de precizie maxim posibil. Se evit astfel scderea performanelor automobilului i creterea nivelului de gaze poluante evacuate.

Conceptul de control n bucl nchis folosit curent n motoarele cu aprindere prin scnteie se bazeaz pe control n dou puncte cu = 1 (fig. 13.1), cu compoziia amestecului oscilnd n jurul valorii optime pentru .

Cnd amestecul trece de la bogat la srac, tensiunea Us de la sonda , scade de la aproximativ 0,8 V ( < 1) la aproximativ 0,1 V ( > 1), cu variaie rapid a semnalului la = 1. Cnd tensiunea Us trece peste tensiunea de prag fixat, de exemplu Uprag 0,45V, sistemul rspunde srcind progresiv amestecul pn cnd tensiunea Us cade din nou sub prag. Cnd acest proces este ncheiat, sistemul i inverseaz ieirea, mbogind gradat amestecul.

Sistem de formare a

amestecului

Motor

Precontrol stabil / instabil

Controler PI

aer

combustibil

amestec

amestec bogat / srac Comparator

CONTROL ELECTRONIC

Uprag

Us

Senzor

Fig. 13.1

Gaz evacuat

Catalizator cu 3 ci

188

n funcie de ntrzierea amestecului, oscilaiile sistemului de control sunt n gama 0,5 ... 5 Hz, cu o amplitudine = 0,01 ... 0,05 fa de medie. n timpul perioadei de srcire, convertorul catalitic stocheaz oxigen pentru a-l elibera n timpul fazelor de mbogire a amestecului. Acest mod de lucru asigur viteze mari de conversie, n ciuda oscilaiilor de control.

Se folosete de preferin un algoritm proporional - integrator (PI). Variaiile ntrzierii sistemului i a pantei integratorului afecteaz amplitudinea i frecvena oscilaiilor. Deoarece sarcina i turaia au efect major asupra ntrzierii sistemului, parametrii de control sunt definii i stocai ntr-o cartogram de control sarcin / turaie.

Se poate realiza un control continuu = 1, pentru a obine deviaii de control mult mai mici i reduceri ale gazelor poluante, n special cnd se folosesc convertoare catalitice mbtrnite. Pentru aceasta este nevoie de senzor de oxigen cu o caracteristic lambda aproximativ liniar sau liniarizat.

Deoarce nu exist senzori de gaze poluante, CO, NOx i HC, care s funcioneze n gazele de evacuare, s-au dezvoltat concepte care folosesc un al doilea senzor de oxigen dup convertorul catalitic, pentru a detecta mbtrnirea convertorului i / sau a senzorului lambda.

13.2.2 Principiile senzorilor de gaze de evacuare pentru control

13.2.2.1 Senzor = 1 tip Nernst (ZrO2)

n principiu, senzorul lambda funcioneaz ca o pil galvanic cu electrolit

solid, cu concentraie de oxigen. Se folosete un element ceramic din bioxid de zirconiu i oxid de ytriu ca electrolit solid impermeabil pentru gaz. Acest amestec de oxizi este un conductor aproape perfect de ioni de oxigen, pe o gam mare de temperaturi. Electrolitul solid este proiectat pentru a separa gazul evacuat de atmosfera de referin. Ambele fee sunt electrozi de platin catalitic activi. La electrodul interior (aer; pO2 = 0,21 bar), reacia:

+ 22 24 OeO

ncorporeaz ionii de oxigen n electrolit. Acetia migreaz spre electrodul exterior (gaz evacuat; pO2 variabil < pO2), unde contrareacia are loc la interfaa cu trei faze (electrolit - platin - gaz). Se creeaz un cmp electric contraactiv i este generat o tensiune electric U, corespunztoare raportului presiunilor pariale, conform ecuaiei Nernst:

189

'2

''2ln

4 pOpO

FRTU S =

unde R este constanta general a gazelor, F este constanta Faraday, T este temperatura absolut, iar pO2 este presiunea parial a oxigenului.

Msurarea coninutului de oxigen servete ca baz pentru concluzii referitoare la lambda gazului de evacuare, cnd o stare de echilibru termodinamic a gazului este stabilit la electrozii activi catalitic ai senzorului de oxigen (oxigen rezidual). Concentraiile absolute ale componentelor individuale ale gazelor de evacuare din motor fluctueaz pe o gam mare, n conformitate cu condiiile de funcionare instantanee (nclzire, accelerare, funcionare stabil, decelerare). Senzorul de oxigen trebuie s fie astfel nct s converteasc amestecul de gaz primit ntr-o stare de echilibru termodinamic complet. Dac nu se obine echilibru termodinamic la electrod, semnalul senzorului lambda va fi eronat.

Concentraia oxigenului rezidual fluctueaz exponenial, cu multe ordine de mrime, n vecintatea amestecului stoichiometric aer/combustibil, fig. 13.2.

13.2.2.2 Senzor = 1 semiconductor

Semiconductoarele oxizi ca TiO2 i SrTiO3 obin rapid echilibrul cu presiunea

parial de oxigen n faza de gaz nconjurtor la temperaturi sczute. Variaia presiunii pariale a oxigenului nvecinat produce variaia concentraiei locurilor libere de oxigen a materialului, modificnd conductivitatea de volum.

0,2

0,4

0,6

0,8

0,9 0,95 1,0 1,05 1,1

Fig. 13.2

Us calculat T = 700 0C

pO2

10-16

10-11

10-6

UNernst [V] pO2

[barr]

190

Acest efect este afectat de dependena de temperatur a conductivitii. Rezistena electric i timpul de rspuns al senzorului sunt invers proporionale cu temperatura.

Posibilitatea de a nu mai folosi referin de O2 permite o proiectare simpl folosind un nclzitor integrat. Stratul gros semiconductor poros este poziionat i sinterizat pe un substrat plan, ntre doi electrozi. Se folosesc i variante cu straturi subiri.

Pentru 1, stratul senzor are o variaie rapid a conductivitii datorit variaiei mari a pO2. Cnd sunt noi, senzorii din TiO2 au acelai rspuns ca sondele = 1 bazate pe ZrO2. Variaiile rezistenelor n starea de srcire sau mbogire i pentru timpul de rspuns au loc pe toat durata de via, sistemul de control a emisiei suferind o deplasare semnificativ spre srcire.

Pentru funcionare, se aplic o tensiune rezistorului RT din TiO3 legat n serie cu un rezistor de referin. Cderea de tensiune pe rezistorul serie depinde de RT, respectiv de lambda. n versiunea cu trei poli, tensiunea aplicat este preluat de la tensiunea nclzitorului; pentru versiunea cu patru poli (cu mas izolat), se folosete o tensiune de alimentare separat. n funcie de aplicaia specific, poate necesar compensarea cu temperatura.

13.2.3 Senzori pentru alte componente din gazele de evacuare 13.2.3.1 Senzori cu potenial mixt

Dac activitatea catalitic redus previne ca s se ating echilibrul gazului, la electrodul unei pile galvanice ZrO2 au loc reacii concurente. Acestea previn o stare de reducere / oxidare de echilibru n oxigen i duc la formarea unui potenial mixt. Acest potenial depinde de activitatea electrodului, temperatur i compoziia gazului. Este dificil de proiectat electrozi capabili s menin viteze specifice. Fiecare schimbare n activitatea electrodului (de exemplu, datorit mbtrnirii) duce la o variaie a potenialului mixt. Electrozii de Pt au o cretere a potenialului mixt la temperaturi foarte sczute, cu ntrzieri mari ale rspunsului fa de senzorii lambda. Alte materiale pentru electrozi, cu viteze mai mici ale activitii catalitice, continu s dea potenial mixt la temperaturi mari, obinndu-se timpi de rspuns < 1 s.

Selectivitatea se poate mbunti prin selectarea materialului electrodului, temperaturii de funcionare i a straturilor selective de precatalizare.

Deoarece efectul este sensibil cu temperatura, temperatura constant a senzorului trebuie s fie reglat n gama 300C ... 600C, n funcie de aplicaie.

191

13.2.3.2 Senzori de gaze din semiconductoare

Straturi groase i ceramice. Pe suprafaa oxizilor de metale nestoichiometrice ca SnO2, TiO2, In2O3 i Fe2O3 (semiconductoare de tip n), oxigenul este absorbit i disociat n aer la temperaturi mari i este legat de reeaua cristalin. Rezult un strat subire de srcire la suprafaa cristalitelor, ce d natere la un arc n curba potenialului. Acest fenomen produce reduceri ale conductivitii suprafeei i rezisten mai mare intercristalin la frontierele dintre dou cristalite; acesta este factorul major ce determin rezistena total a oxidului metalic policristalin.

Gazele oxidante ca CO, H2 i CxHy, care reacioneaz cu oxigenul de la suprafa, cresc densitatea purttorilor de sarcin n stratul de frontier i reduc bariera de potenial. Gazele reductoare ca NO i SOx cresc potenialul barierei i astfel, rezistena suprafa / intercristalin.

Straturi subiri. n comparaie cu materialele policristaline, straturile subiri au un numr limitat de frontiere cristaline la suprafaa stratului pentru reacie cu gazele evacuate. Bariera stratului de srcire are o proporie substanial din grosimea stratului subire i variaia densitii purttorilor de sarcin n stratul barier datorit gazelor adsorbite produce variaii mari ale rezistenei totale.

Pentru selectarea CO, HC i NOx se folosesc materiale cu dopri i temperaturi adecvate. Rezistena semiconductoarelor cu oxid de metal este ntotdeauna o funcie de presiunea parial a O2.

Gazele evacuate de motoare, cu presiuni pariale de O2 minime au o mare sensibilitate O2. Pentru 1, este posibil i o variaie ireversibil pe termen lung a rezistenei senzorului, ceea ce duce la dezintegrarea oxidului de metal. Temperaturile mari de funcionare favorizeaz difuzia golurilor de oxigen i a materialelor dopante. Cnd sunt amplificate de efectele de sinterizare, acestea duc la derive ale rezistenei i rspuns atenuat al senzorului.

Temperaturile de funcionare standard ale senzorilor de gaze din metal - oxid sunt 100C 600C.

13.2.3.3 Senzori catalitici de gaze

Senzorul catalitic de gaze este un senzor de temperatur care folosete o

suprafa catalitic activ. O reacie exoterm la suprafaa catalitic activ (reacie de oxidare n aer), determin creterea temperaturii senzorului, proporional cu concentraia de oxidant n atmosfer cu oxigen n exces. Pentru a mri sensibilitatea i pentru a realiza compensarea cu temperatura, se folosete un senzor asemntor, dar far rspuns catalitic. Senzorul de temperatur este din fire de Pt bobinate, straturi subiri i groase din Pt, tranzistoare sau termistoare.

192

Senzorii catalitici de gaze sunt insensibili i se folosesc ntr-o gam > 1000 ppm. Pentru monitorizarea concentraiilor este nevoie de oxigen n exces. Datorit sensibilitii la viteza debitului de gaz, aceti senzori sunt folosii n sonde de debit cu limitatoare de difuzie. Senzorii activi i cei de referin trebuie expui la aceleai condiii de debit, fr influene termice reciproce.

Temperaturile de lucru sunt 500C 600C, dar pot fi i mai mari. Factorul de limitare pentru gama temperaturilor este stabilitatea pe termen lung n convertorul catalitic. Senzorii catalitici de gaze nu sunt selectivi, ei dau un semnal sum pentru toate gazele de combustie. De aceea, sunt folosii numai pentru monitorizarea strii convertorului catalitic.

13.3 Traductoare de poziie liniar i unghiular

Traductoarele de poziie liniar sau unghiular sunt folosite n automobilele

moderne, de la microcomutatoarele acionate de deschiderea uii, pn la transformatoarele difereniale liniar variabile din sistemele de suspensie active, pentru indicarea poziiei sau n sisteme de siguran.

Fiecare tip de traductor are propriile modaliti de exprimare i, cnd se fac comparaii, este important s se neleag cum o caracteristic a unui traductor se raporteaz la alt caracteristic a altui traductor i cum afecteaz forma semnalului de ieire, analogic sau numeric, rezoluia de msurare i, corespunztor, performanele sau stabilitatea unui sistem din traductor.

13.3.1 Clasificarea traductoarelor de poziie

Din perspectiva unui proiectant de sistem, problema de baz legat de traductoare este: ce fel de informaie d la ieire i cum este folosit traductorul.

Un traductor de poziie este un dispozitiv electromecanic care transform informaia de poziie n semnale electrice. Traductoarele de poziie pot fi grupate n dou categorii de baz:

- traductoare incrementale sau absolute i - traductoare de poziie n contact sau de proximitate.

Traductoare incrementale sau absolute Traductoarele incrementale de poziie msoar poziia ca distana de la un marcaj arbitrar sau zero. Se bazeaz pe metoda de numrare a impulsurilor. Un impuls din secvena de impulsuri este proiectat mai lat sau de polaritate opus dect altele, nct poate fi folosit ca zero. Avantajul traductoarelor incrementale este faptul c folosesc puine fire de legtur, tipic patru sau cinci. Dezavantajele

193

sunt: la punerea sub tensiune traductorul nu are nici o informaie de poziie i necesit un ciclu de indexare mecanic pentru a gsi impulsul marker; al doilea dezavantaj, sensibilitatea la zgomote.

Traductoarele de poziie absolut dau informaie de ieire neambigu la punerea sub tensiune. Fiecare poziie liniar sau unghiular are o valoare unic. Ieirea poate fi: tensiune, frecven, cod numeric, etc, asociate poziiei de intrare. Exemple de traductoare absolute de poziie sunt: poteniometrele, traductoarele numerice absolute, resolverele, etc.

Traductoare de poziie n contact sau de proximitate Traductoarele de poziie sunt proiectate s detecteze poziia componentelor sistemelor mecanice, fiind fie direct cuplate prin arbore sau legtur, ca n cazul poteniometrelor sau traductoarclor optice numerice, fie prin mijloace fr contact sau proximitate. Condiiile de mediu au influen mare n alegerea traductorului. Nivelele mari de vibraii, mai ales n aplicaiile cu motoare mici, pot duce la defecte permanente, de exemplu a stratului conductor de la poteniometrul de msurare a poziiei clapetei de acceleraie. Murdria i praful exclud traductoarele optoelectronice din aplicaiile de sub capot, datorit degradrii rapide a cii optice.

Traductoarele de proximitate cele mai folosite sunt cele bazate pe detectarea cmpului magnetic, deoarece pot fi mai uor izolate de efectele distructive ale mediului dur din cele mai multe aplicaii din automobile.

13.3.2 Tehnologiile traductoarelor de poziie

13.3.2.1 Microntreruptoare

Cel mai simplu senzor n contact este un ntreruptor. Multe aplicaii ale microntreruptoarelor pentru detecia poziiei sunt ca ntreruptoare de capt sau ca avertizare a captului de curs a unei componente mecanice, prin deconectarea tensiunii de alimentare de la un motor electric sau prin alimentarea cu tensiune a unei lmpi indicatoare.

n anumite situaii, din motive de siguran, trebuie determinat condiia de defect semnalizat de microntreruptor. O caracteristic nedorit a comutatoarelor sunt oscilaiile contactelor la nchidere, problema fiid rezolvat, de exemplu cu circuite sensibile la primul front al impulsurilor i rejectarea celorlalte fronturi. Dac se folosete un microcontroler pentru monitorizarea ieirii senzorului, atunci fronturile parazite pot fi eliminate software. Aceast problem este valabil i pentru aplicaiile cu vibraii puternice sau ocuri.

194

13.3.2.2 Traductoare de poziie optoelectronice

Codoarele optice unghiulare pentru msurarea incremental a poziiei unghiulare a arborilor sunt realizate dintr-un disc cu sectoare transparente i opace, egal spaiate. Discul este din sticl pentru aplicaii de precizie. Discurile din mylar sau metal ofer, respectiv, rezoluie mare i medie la pre sczut. Discurile sunt iluminate pe ambele pri iar fotodetectoarele detecteaz trecerea sectoarelor iluminate i ntunecate, cnd discul este rotit. Discurile din metal, de rezoluie sczut, lucreaz prin reflexie.

Cele mai multe codoare au dou perechi de surse optice i fotodetectoare, poziionate cu distana egal cu jumtate din limea unui sector. Impulsurile de la ieirile celor dou canale de msurare sunt decalate cu 90 electrice (semnale n cuadratur). Trecerea unei perechi de sectoare luminoase i ntunecate prin faa unui fotodetector este denumit o perioad, un impuls, o linie sau 360 electrice.

Rezoluia codoarelor este n gama 16 linii/rot, pentru aplicaii de pre sczut, pn la peste 6000 linii/rot pentru sistemele de control a poziiei de precizie. Cele mai multe codoare folosesc i al treilea semnal ca index sau impuls de referin (marker nord). Acesta are 1 linie/rotaie i lime tipic de 90e. Din cele dou ieiri de pe cele dou canale defazate la 90e, pot fi separate patru stri distincte folosind circuite integrate speciale (semnalele au factor de umplere 1/2). Se obin astfel rezoluii de patru ori mai mari dect numrul liniilor de pe disc. Aceste circuite integrate determin i sensul rotaiei, din defazajul dintre cele dou semnale.

Specificaiile de acuratee ale codoarelor unghiulare incrementale se ncadreaz n dou categorii. Acurateea poziiei unghiulare este diferena ntre unghiul real al arborelui i unghiul indicat de codor. Aceast eroare este exprimat normal n grade sau minute de arc. A doua categorie include specificaiile pentru simetria i repetabilitatea perioadelor, acestea fiind exprimate n grade electrice.

Codoarele optoelectronice incrementale liniare permit msurarea direct a micrii liniare. Tehnologia i terminologia sunt aproximativ aceleai ca la codoarele unghiulare.

Codoarele liniare sunt descrise de densitatea liniilor sau rezoluie n linii pe mm sau mm pe linie, rezoluia ajungnd la 8 linii/mm, adic 30 m.

Dac este necesar informaia de poziie neambigu la punerea sub tensiune, se folosesc codoare absolute, cu rezoluie 1/26 1/216 i date de ieire n cod binar, BCD sau cod Gray.

195

13.3.2.3 Traductoare de poziie poteniometrice Poteniometrele sunt mult folosite ca traductoare de poziie n automobile, pentru msurarea poziiei pedalei de acceleraie i a clapetei de acceleraie. Sunt traductoare ieftine, cu timpi de via peste cei ai unei maini medii i viteze de rotaie continui > 1000 rot/min, timp de peste 1000 ore.

Sunt construite folosind un traseu cu fir bobinat. Rezoluia poteniometrelor depinde de numrul de spire bobinate pe pist. Rezoluia poteniometrelor bobinate rotative este specificat ca numr de spire pe grad i poate fi ntre 1 (l/spir) i 7 (8,5 arcmin/spir). Rezistena traseului, proporional cu numrul de spire, este n gama 10 ... 100 k. Poteniometrele bobinate uzuale sunt cele cu valori sczute ale rezistenei, dar cu liniaritate slab.

Poteniometrele pentru detecia poziiei sunt realizate dintr-un traseu rezistiv din material conductor, uzual grafit i plastic dopat cu negru de fum i un cursor fixat ntr-un suport. Cursorul este realizat din lamele, pentru a obine contact bun, insensibil la vibraii. Poteniometrele de acest tip au gam de rezisten 500 20 k, liniaritate excelent i rezoluie foarte mare.

13.3.2.4 Traductoare de poziie magnetice

Traductoare cu reluctan variabil Reluctana unui circuit magnetic determin fora magnetomotoare necesar

pentru a produce un flux de o anumit valoare. n cele mai multe cazuri, variaia reluctanei este determinat de variaia lungimii unui ntrefier. Variaia reluctanei produce o variaie a fluxului magnetic, ce induce o tensiune ntr-o bobin de semnal de ieire. Tensiunea indus este un impuls bipolar, a crui amplitudine este proporional cu viteza variaie a fluxului (legea lui Faraday):

dtdU =

n automobile, senzorii cu reluctan variabil sunt folosii pentru detecia

poziiei i a vitezei de rotaie a roilor dinate sau profilate, n aplicaii de monitorizare a axei cu came, arborelui cotit i a roilor.

Senzorii cu reluctan variabil sunt sensibili la erori. Vibraiile, rezonanele, forele de atracie dintre senzor i int pot degrada serios raportul semnal / zgomot al dispozitivului. inta acestor senzori este de obicei o roat dinat feromagnetic. Prin micarea roii n cmpul magnetic al senzorului, rezult cureni turbionari ce determin erori. Din acest motiv, n aplicaiile de precizie, gurile i deschizturile

196

din roile feromagnetice sunt umplute cu materiale conductoare nemagnetice, pentru omogenizarea curenilor turbionari.

Avantajele senzorilor cu reluctan variabil sunt: simplitatea, construcia compact, nu lucreaz prin frecare, preul sczut, gam mare de temperatur de funcionare i necesit doar dou fire de legtur.

Senzorii cu reluctan pot fi folosii i ca senzori cu inductan variabil dac se excit bobina de detecie n curent alternativ i se msoar inductana.

Traductoare cu efect Hall Dac un conductor este antrenat cu viteza v ntr-un cmp magnetic, sarcinile

din conductor vor fi supuse unei fore (Lorentz) perpendiculare pe direcia micrii i a cmpului magnetic. Rezult un cmp electric:

vBE =

Rezult astfel o tensiune proporional cu inducia magnetic B, viteza i

lungimea conductorului. Se pot realiza dispozitive din materiale semiconductoare, care folosesc acest efect la msurarea cmpurilor magnetice.

Circuitele integrate cu efect Hall de performan folosesc diverse tehnici de mbuntire a sensibilitii. Traductoarele Hall difereniale, proiectate ca traductoare de poziie pentru roi dinate, folosesc doi senzori Hall distanai cu jumtate din distana dintre doi dini. Aceste traductoare, pot detecta variaii mici ale cmpurilor magnetice unipolare.

Traductoare inductive de unghi Resolverele, denumite i sincro resolvere, sunt traductoare absolute de unghi.

Datorit construciei lor, resolverele moderne fr perii ofer soluia cea mai robust, fiabil i au rezoluia cea mai mare pentru msurarea unghiurilor. Resolverele sunt considerate adesea traductoare de pre mare pentru automobile, datorit manoperei mari. Resolverele pot fi complet capsulate sau plate, cu statorul i rotorul realizate separat, pentru facilitarea montrii pe arbori. Resolverele se caracterizeaz prin diametrul carcasei. Acurateea lor se specific n minute de arc, valoarea tipic fiind 7 arcmin.

Resolverele sunt, n esen, traductoare rotative. O tensiune alternativ conectat la intrarea de referin furnizeaz excitaia primar. Gama de frecven folosit este 400 Hz ... 20 kHz, n funcie de tipul constructiv; cele mai multe fiind optimizate pentru gama de frecven 2 ... 5 kHz. Semnalul de referin este cuplat la rotor prin intermediul unui transformator montat la un capt al arborelui rotorului. O a doua bobin rotor se cupleaz cu dou bobine stator orientate perpendicular. Bobinele stator sunt bobinate astfel nct, la rotirea arborelui rotor,

197

amplitudinile ieirilor bobinelor stator variaz cu sinusul i cosinusul unghiului arborelui fa de o referin zero.

Cel mai simplu mod de a decoda ieirea resolverului este folosirea unui convertor integrat resolver numeric, fig. 13.3.

Semnalele de intrare de la resolver modulate n amplitudine sinus i cosinus,

reprezentnd un unghi al arborelui, sunt multiplicate, respectiv, cu cosinusul i sinusul valorii curente a numrtorului bidirecional. Semnalele obinute sunt sczute, rezultnd:

( )= sinsin tAVE

unde Asint reprezint purttoarea de referin. Acest semnal este demodulat sincron, iar un integrator i un oscilator controlat n tensiune formeaz o bucl nchis cu numrtorul /multiplicatorul, care caut s anuleze sin( - ). Cnd se obine zero, valoarea numrtorului reprezint unghiul arborelui resolverului, acurateea fiind dictat de convertor.

Exist circuite integrate convertoare resolver - numeric cu ieiri paralele sau serie, cu rezoluii de 10 ... 16 bii. Aceste convertoare resolver numeric mai dau la ieire un semnal dependent de sensul de rotaie i un alt semnal proporional cu viteza de rotaie a resolverului, care are valori tipice ntre 0 i mii rot/min.

Multiplicator sin / cos

Demodulator sincron

Numrtor bidirecional

Integrator i OCT

Referin

sin

cos

poziie sens vitez

Fig. 13.3

sin( - )

198

Transformatorul rotativ variabil conine o singur nfurare bobinat pe un stator feromagnetic circular, cu un numr de dini ca poli de polaritate alternat. Statorul este excitat cu un semnal n curent alternativ cu frecvena de 20 kHz i este ncercuit de un rotor cu un ecran conductiv semicircular pe suprafaa interioar. Ecranul reduce fluxul de legtur dintre rotor i stator, reduce inductana poriunii ecranate a statorului, micornd astfel cderea de tensiune pe aceast poriune a statorului. Tensiunea msurat la o ieire central din stator este liniar proporional cu unghiul rotorului. Alte ieiri la 90 i 270 fa de zero nominal permit msurarea unei forme de und cu amplitudine n cuadratur fa de semnalul de la ieirea central. Acest lucru permite obinerea unui traductor absolut de unghi de 360, prin tehnici de decodare folosite la TLDV.

Traductoare inductive pentru deplasri liniare Transformatoarele cu spir n scurtcircuit sunt senzori de deplasare

absolut ce constau dintr-un miez n form de E cu o bobin pe piciorul central, care este excitat cu tensiune alternativ de nalt frecven. n jurul piciorului central poate aluneca, pe o poriune, un inel conductor din Al sau Cu, ataat la componenta mecanic a crei poziie se msoar. Inelul este echivalent cu secundarul n scurtcircuit al unui transformator. La deplasarea inelului, variaz inductana bobinei.

Aceti senzori sunt folosii ntr-o configuraie de divizor de tensiune, cu o inductan de referin similar, conectat n serie. Semnalul de ieire nu depinde de temperatur i se pot ajusta uor decalajele.

Transformatoarele liniare difereniale variabile (TLDV) sunt construite dintr-o nfurare primar de excitaie, plasat central pe o carcas cilindric iar dou nfurri secundare identice sunt poziionate de o parte i de cealalt a nfurrii primare. Secundarele sunt legate n serie, cu faze opuse, astfel nct, cu miezul poziionat central, tensiunea pe fiecare din cele dou bobine secundare este zero. La micarea miezului de la un capt la altul, semnalul de ieire variaz de la o valoare maxim n faz cu tensiunea de excitaie, prin zero la o valoare maxim n antifaz cu excitaia.

TLDV sunt proiectate pentru a da ieire liniar cu o toleran tipic de 0,25 %, pe o lungime specificat.

TLDV funcioneaz cu rapoarte de transformare de 10:1 ... 2:1, frecvena tipic de excitaie fiind 2 ... 5 kHz. Semnalul de ieire poate fi decodat n diverse moduri, existnd circuite integrate specifice, analogice i numerice.

Un exemplu de schem tipic de convertor TLDV - numeric este prezentat n fig. 13.4.

n automobile, TLDV se folosesc n sistemele de control a suspensiei, montai n interiorul cilindrilor hidraulici.

199

Traductoare magnetostrictive Magnetostriciunea este o proprietate a materialelor care rspund la o variaie

de flux magnetic prin deformarea elastic a structurii lor cristaline. Senzorii magnetostrictivi pentru deplasri liniare folosesc acest fenomen

lansnd o und de compresie printr-un ghid de und cilindric, cu un impuls de curent. Ghidul de und trece printr-un inel deplasabil din magnetul permanent, la o anumit distan de receptor. Unda de compresie generat se propag spre receptor cu viteza de aproximativ 2800 m/s i determin o variaie a fluxului, genernd un impuls de tensiune ntr-o bobin de detecie. Distana ntre inelul magnetic deplasabil i bobina detectoare se msoar determinnd timpul de zbor al impulsului.

Exist disponibile traductoare magnetostrictive cu o curs de peste 7,5 m. 13.4 Traductoare de viteze i acceleraii

13.4.1 Introducere

Msurarea vitezei de rotaie n automobile are dou game de aplicaii

principale: - monitorizarea turaiei motorului, pentru a mbunti controlul motorului i

sistemele de control a traciunii; - de control a regimului de croazier i de evitare a blocrii roilor (ABS),

pentru siguran i manevrabilitate mbuntit la drum.

Demodulator sincron

Integrator i OCT

Punte de curent alternativ

Numrtor bidirecional

Poziie Sens Vitez

Referin

A

B

Fig. 13.4

200

Msurarea vitezei liniare este util n monitorizarea vitezei automobilului, pentru controlul autovehiculului, detecia obstacolelor i evitarea accidentelor.

n aplicaiile pentru automobile, trebuie luat n consideraie mediul n care va funciona traductorul. Msurarea trebuie fcut cu acuratee, traductoarele trebuie s fie robuste, fiabile i s funcioneze n prezena benzinei, lubrifianilor, murdriei i n condiii atmosferice aspre. Aceste cerine au limitat folosirea unor alternative practice, cum sunt senzorii optici i cei n contact.

Pentru monitorizarea vitezei de rotaie, cele mai practice dispozitive folosesc detecia cmpului magnetic. Acestea se bazeaz pe efectul Hall, reluctan variabil sau magnetorezisten.

Pentru monitorizarea vitezei de deplasare a automobilului i detecia obiectelor se folosesc traductoare optice, cu laser, cu microunde (radar) i cu ultrasunete. Pentru msurarea vitezei liniare se folosete, tipic, efectul Doppler.

Senzorii de acceleraie sunt folosii n sistemele de comand a pernei de aer, de control a cursei suspensiei, de evitare a blocrii frnelor, traciune i navigaie inerial. Pentru astfel de aplicaii sunt n exploatare curent dispozitivele mecanice simple (comutatoare) i accelerometrele analogice microprelucrate din Si, plasate central pe caroseria automobilului.

13.4.2 Aplicaii de msurare a vitezelor n automobile

Msurarea vitezei de rotaie n automobile Cei mai importani factori n controlul motorului sunt viteza de rotaie a

motorului i unghiul axului cotit. Aceste semnale sunt folosite de unitatea de control a motorului pentru determinarea injeciei de combustibil i a controlului aprinderii. Viteza de rotaie a motorului este n gama 50 ... 8000 rpm. Rezoluia de msurare necesar este de 10 rpm pentru a obine acuratee de 0,2 %.

Viteza automobilului este n gama tipic 0 ... 180 km/h, cu o rezoluie de msurare de 1 km/h.

Pentru msurarea vitezei automobilului se msoar viteza de rotaie a arborelui de transmisie, folosind senzori optici sau senzori magnetici. O metod bazat pe senzori magnetici folosete un magnet inel cu 4 ... 20 poli, n funcie de rezoluie. Variaiile fluxului magnetic determinate de rotaia acestui magnet inel fixat pe arbore sunt detectate cu senzori magnetorezistivi legai n punte. Se folosesc, de asemenea, roi din material feromagnetic, cu dini cu magnei i concentratoare de flux magnetic, iar viteza de rotaie se detecteaz cu senzori Hall, cu magnetorezistoare sau cu reluctan variabil. Se numr impulsurile pe secund, I, date de aceti senzori:

kvNI =

201

unde N este numrul de poli magnetici de pe magnetul n inel sau numrul de dini ai roii; k, o constant determinat de raportul axului i mrimea roii iar v, viteza automobilului. Temperatura de funcionare este de 40 +120C.

n aplicaii ca ABS, ASR i transmisie pe patru roi, se folosesc senzori de vitez de rotaie pe fiecare roat, pentru a determina alunecarea diferenial ntre roi.

n aplicaiile de transmisie electronic, informaiile de la senzorii de vitez de deplasare i de turaie a motorului, ca i datele referitoare la cuplul de torsiune i poziia clapetei de acceleraie sunt necesare pentru microcontroler pentru a selecta raportul de transmisie optim al cutiei de viteze. Transmisiile controlate electronic asigur o tranziie lin ntre diverse rapoarte de transmisie i sunt mai mici dect transmisiile automate convenionale, permind astfel mai multe rapoarte de transmisie, performane mai bune, cuplu, eficien i acceleraii mai mari.

O alt aplicaie pentru msurarea vitezei de rotaie este controlul vitezei de rotaie a ventilatorului radiatorului. Viteza de rotaie a ventilatorului depinde de temperatura lichidului de rcire. Se folosesc senzori cu efect Hall sau cu magnetorezistene pentru a determina poziia armturii i viteza de rotaie a motorului ventilatorului.

Msurarea vitezei liniare n automobile Aplicaiile de msurare a vitezei liniare n automobile sunt: - detecia obstacolelor apropiate de automobile; - evitarea coliziunilor; - msurarea distanei caroseriei fa de drum pentru controlul cursei

suspensiei; - msurarea vitezei automobilului pentru ABS (Antilock Brake System),

ASR (de prevenire a rotirii rapide a roilor pe drum lunecos) i navigaie inerial.

n aceste aplicaii se folosesc traductoare cu ultrasunete pentru distane scurte, < 10 m i RF pentru distane mai lungi. Pentru msurarea cu ultrasunete a obiectelor aflate la distane de 0,5 ... 2 m, frecvena impulsurilor este de aproximativ 15Hz. Impulsurile reflectate se ntorc n 3 ... 12 ms. Viteza unui obiect (int) este dat de relaia:

tLv 2=

unde L este distana fa de int iar t, timpul (viteza ultrasunetelor = 340 m/s).

202

n cazul msurrii cu ultrasunete a distanei ntre caroserie i drum, de 15...50 cm, pentru controlul cursei suspensiei, se folosete viteza de repetiie a impulsurilor de pn la 50 Hz iar impulsul reflectat se ntoarce n 0,9 ... 3 ms.

13.4.3 Aplicaii de msurare a acceleraiilor n automobile

13.4.3.1 Umflarea pernei de aer de protecie

Traductoarele de ciocniri i de comand a umflrii pernei de aer de protecie folosesc comutatoare mecanice localizate la 40 cm de punctele de impact i mai muli senzori, uzual 3 ... 5 senzori, pentru detecie multipunct. Aceste dispozitive sunt senzori cu variaia vitezei i sunt calibrai s realizeze contact atunci cnd variaia vitezei din compartimentul pasagerilor depete 20 km/h, aceasta fiind variaia de vitez la care ocupanii locurilor din fa se pot lovi de parbriz.

n cazul folosirii unui singur accelerometru analogic central, nivelul acceleraiei detectate este mai mic dect n cazul dispozitivelor multipunct. Pentru monitorizarea semnrii ciocnirii, este suficient un singur accelerometru. Semntura variaz pentru diferte tipuri de caroserii i ciocniri. Ieirea accelerometrului este monitorizat cu un microcontroler, care determin dac a avut loc o ciocnire. La o vitez de 48 km/h, traductorul trebuie ca n 20 ms s detecteze ciocnirea i s comande umflarea pernei de aer de protecie care dureaz 50 ms. n acest timp, pasagerii s-au deplasat 18 cm spre parbriz. n timpul primelor 20 ms, deceleraiile pot atinge 20g, dar media pentru comanda umflrii pernei este aproximativ 5g. Accelerometrul central poate fi piezoelectric, piezorezistiv sau capacitiv.

Accelerometrul localizat central este mai performant dect comutatoarele mecanice. Astfel, se reduce numrul de senzori i de fire de legtur, varianta cu un accelerometru central fiind mai ieftin. De asemenea, crete acurateea de detecie i prelucrare a semnalului, crescnd acurateea de definire a nivelului la care este comandat perna. Cele mai avantajoase accelerometre folosite n acest scop sunt cele cu senzori capacitivi integrai, pentru c sunt ieftine i au posibiliti de autotestare i diagnosticare.

Una din aplicaiile de viitor este folosirea sistemului de pern de protecie mpotriva ciocnirilor laterale. Senzorul folosit este unidirecional, de aceea trebuie folosii senzori suplimentari, montai perpendicular fa de cei pentru detecia ciocnirilor frontale. Accelerometrul pentru aceast aplicaie trebuie s aib acceleraia maxim 250g.

O alt aplicaie pentru accelerometre este detectarea deraprii n viraje, n sistemele de transmisie avansate; n acest caz gama de acceleraii maxime de msurat este de aproximativ 1 ... 2 g.

203

13.4.3.2 Controlul suspensiei

n aplicaiile de control a cursei suspensiei, arcurile foi sau cele fixate pe axe

sunt nlocuite de staii la cele patru roi care formeaz suspensia activ. Fiecare staie de la o roat conine un cilindru umplut cu ulei, cu un piston pentru a fixa distana caroseriei fa de axe i pentru a izola caroseria de vibraiile axelor, folosind un sistem de servoreacie.

Cnd autovehicul cu suspensie convenional ntlnete un obiect pe drum, crete ncrcarea pe roat, atunci cnd ea se ridic pe obstacol. Ca rezultat, se ridic i autovehiculul. Cu o suspensie complet activ, se detecteaz creterea ncrcrii i se deschide o servosupap pentru a transfera cantitatea necesar de ulei de la cilindrul corespunztor, spre un rezervor. n consecin, ncrcarea exercitat asupra caroseriei de fiecare roat este meninut la nivelul ei specific: caroseria rmne la nivelul ei static. Dup ce obiectul a fost traversat, uleiul este pompat napoi n cilindru, pentru a restabili condiiile de ncrcare statice.

n sistemele de suspensie adaptiv, este colectat informaia de la roile din fa i folosit pentru a prezice condiiile de drum pentru controlul roilor din spate. Avantajul este scderea preului, deoarece numrul accelerometrelor scade la jumtate. n timpul virajelor, uleiul este de asemenea pompat n cilindrii roilor exterioare, pentru a minimiza unghiul de ruliu.

Pentru suspensie activ, se folosete o combinaie de traductoare ca: traductoare de turaie a roilor, accelerometre, de distan ntre caroserie i drum i traductoare de nivel a pistoanelor din sistemul de suspensie. Informaiile de la traductoare sunt folosite de microcontroler pentru a comanda servosupapele.

13.4.3.3 Msurarea vibraiilor

Pentru motoarele cu ardere intern cu amestecuri srace (pentru economie de combustibii i nivele sczute ale gazelor poluante), arderea devine instabil i apar fluctuaii mari ale cuplului. n consecin, sunt necesare traductoare antidetonaie i de vibraii pentru a da informaiile necesare microcontrolerului, nct acesta s regleze cantitatea de combustibil injectat i secvena de aprindere, pentru a obine stabilitate n condiii variabile n limite largi.

n aceste aplicaii se folosesc trei tipuri de accelerometre: - piezoelectrice; - capacitive integrate; - optoelectronice, pentru monitorizarea spectrului aprinderii n vederea

deteciei lipsei aprinderii sau detonaiei.

204

13.4.3.4 Sisteme de evitare a blocrii frnelor

n sistemele ABS, de evitare a blocrii frnelor, se folosete un accelerometru

care d informaii despre variaia vitezei automobilului. Aceast informaie, mpreun cu toate informaiile de la celelalte traductoare din sistem referitoare la viteza fiecrei roi, presiunea fluidului de frn i poziia pedalei de frn, sunt transmise ctre microcontroler, care proceseaz datele i ajusteaz presiunea fluidului de frn la fiecare roat, pentru frnare optim.

Multe din elementele sistemului ABS pot fi folosite pentru detecia alunecrii laterale, la preluarea virajelor cu viteze mari i a puterii de traciune a roilor.

O soluie mai economic dect ABS dar cu acuratee mai mic, este sistemul de control adaptiv, n care accelerometrele sunt folosite pentru msurarea deceleraiei de frnare i a acceleraiei cnd se deschide clapeta de acceleraie. Dac are loc deraparea n timpul frnrii, se reduce presiunea de frnare i se regleaz pentru deceleraie maxim sau clapeta de acceleraie se regleaz pentru traciune maxim.

13.4.3.5 Navigaie inerial

Au fost dezvoltate sisteme de navigaie ineriale pentru cltorii scurte i lungi. Sistemele de navigaie ineriale pentru distane mari obin poziia printr-o metod cu triangulaie, ce folosete trei satelii de navigaie de referin, cu poziii cunoscute, pe orbite fixe. Exist anumite situaii, de exemplu cnd autovehiculul este n umbra cldirilor sau dealurilor nalte, cnd se pierde legtura cu toi cei trei satelii. n asemenea situaii, sistemele de ghidare se bazeaz pe giroscoape, ce detecteaz unghiul de rotaie sau schimbarea direciei i /sau monitorizeaz micarea vehiculului fa de drum.

Sistemele de navigaie ineriale pentru distane scurte, denumite i uniti de msurare ineriale, se bazeaz pe folosirea accelerometrelor i giroscoapelor de mare acuratee. Datele tehnice ale accelerometrelor pentru aceste aplicaii sunt: acceleraia maxim 2 g, acurateea 0,5 % pe ntreaga gam de temperatur, banda de frecven 0 ... 20 Hz i sensibilitatea axei transversale 0,5 %.

O unitate de msurare inerial central poate fi extins pentru a acoperi alte aplicaii ca: suspensia, ABS, ASR i lucrul cu traductoare pentru evitarea ciocnirilor. Unitatea de msurare inerial poate fi proiectat i pentru a furniza datele de poziie pentru sistemele de autostrzi pentru vehicule inteligente, care mbuntesc eficiena cltoriei i reduc consumul de combustibil i poluarea prin selectarea cii optime spre o anumit destinaie. Calea se alege i pentru a evita blocrile de trafic, zonele de drum n reparaii i accidentele.

205

Exist giroscoape integrate realizate prin microprelucrarea siliciului. n acest caz, se folosesc trei straturi de polisiliciu, cu primul i al treilea fixe, i al doilea strat liber s vibreze n jurul centrului su. Centrul este meninut n poziie de patru brae cu arc, ataate la patru monturi. Acest dispozitiv poate detecta rotaii n planul x - y i acceleraii pe direcia axei z.

13.5 Traductoare de detonaie a motorului

Detonaia este un fenomen de vibraie nedorit a structurii care genereaz zgomot i este proprie motoarelor cu aprindere prin scnteie.

Descoperirea aditivilor pentru benzine (tetraetil de Pb), care mbuntesc stabilitatea procesului de ardere prin scderea vitezei de ardere, ofer proprieti de detonaie a combustibilului care se potrivesc cu gama de cerine a motoarelor. Dup 1970 ns, folosirea aditivilor n combustibili a czut n dizgraie din dou motive: muli aditivi dau produse de ardere nedorite n aer (amestecurile de Pb sunt toxice la nivele sczute) i otrvesc catalizatoarele convertoarelor catalitice i ale senzorilor de oxigen, facndu-le ineficiente.

Legislaia n domeniu s-a nsprit treptat, astfel nct, dup 1990, n SUA s-a interzis folosirea aditivilor n combustibili. Odat cu dispariia benzinei cu plumb, a reaprut fenomenul de detonaie a motorului. Pentru evitarea detonaiilor, se scad rapoartele de compresie, dar crete consumul de combustibil.

13.5.1 Fenomenul de detonaie a motorului 13.5.1.1 Definiia fenomenului de detonaie Detonaia motorului cu aprindere prin scnteie este un mod de ardere nedorit,

care ia natere spontan i sporadic n motor, producnd impulsuri mari de presiune asociate cu o micare vibratorie a ncrcturii i un zgomot caracteristic. ncercarea de a msura cauzele fenomenului a dus la dificila problem a observrii undelor de presiune n cilindru.

De-a lungul anilor, aceste dificulti au dus la inventarea unor tehnici de msurare experimentale comparative ale cifrei octanice a benzinei.

Metoda de comparaie de baz pentru evaluarea calitilor de detonaie a combustibililor implic folosirea unui motor simplu, cu aprindere prin scnteie, cu un cilindru, denumit motor standard, i un combustibil hidrocarbur pur 100% izooctan. S-a descoperit c se poate reproduce fenomenul de detonaie n laborator, folosind acest motor i acest combustibil.

206

Cifra octanic a benzinei este o modalitate de evaluare a caracteristicilor de detonaie ale combustibililor, bazat pe o comparaie a performanelor motorului standard cu combustibilul de test i cu izooctanul pur. Astfel, izooctanul are cifra octanic 100, cifra octanic a combustibilului pentru motoare de autoturisme este 70 ... 90. Combustibilii cu cifre octanice peste 100 se folosesc pentru motoarele aparatelor de zbor.

S-au dezvoltat metode de msurare a fenomenelor ce rezult n urma detonaiei pentru motorul standard i motoare comerciale. S-a standardizat i un parametru de msurare, denumit oc (jerk), care este derivata a treia a deplasrii blocului motor. Exist scri pentru compararea performanelor relative de detonaie ale combustibililor i motoarelor bazate pe semnalul de ieire de la senzorul de oc. Informaiile de la senzorul de oc trebuie corelate cu fenomenele de presiune din cilindru.

Frecvena de rezonan fundamental a semnalului de presiune generat de detonaie depinde de geometria cilindrului motorului i de viteza sunetului n gazul de lucru (ncrctur). Caracteristicile de vibraie a structurii blocului motor care este excitat de detonaia fundamental, sunt determinate de funcia de transfer a blocului motor. Testele realizate pe un cilindru al unui motor cu aprindere prin scnteie cu ase cilindri, arat c, nalta frecven a vibraiei structurii este un indicator bun de detonaie, n ciuda excitaiei de nalt presiune i frecven relativ joas. Vibraia structurii indus de evenimente mecanice, cum este deschiderea i nchiderea supapelor, introduce zgomot care poate fi confundat cu vibraiile induse de detonaie.

Rezonana de reverberaie a cilindrului este n gama 2 ... 12kHz. O estimare grosier a frecvenei de detonaie pentru o anumit geometrie de cilindru de motor este dat de ecuaia Draper:

Rv

Cf smnr =

unde fr este frecvena de rezonan de detonaie, Cmn este o constant de vibraie, vs este viteza sunetului n gazul din cilindru iar R este raza cilindrului. Cu aceast ecuaie, presupunnd c temperatura medie a gazului este 2000K, nct vs este 900 m/s, frecvena primului mod rezonant circumferenial este 5,75 kHz. pentru un cilindru cu diametrul de 10 cm.

La msurtorile de oc din laborator s-au adugat msurarea undelor de presiune din cilindri i analiza semnalului. Cea mai folosit analiz de semnal este s se exprime amplitudinea maxim sau valoarea vrf la vrf a datelor de presiune filtrate trece band, ca un numr de evaluare a detonaiei, denumit intensitatea detonaiei.

207

Alte modaliti de a descrie nivelul de detonaie sunt valoarea efectiv, valoarea medie sau integrala valorii absolute a oscilaiilor de presiune filtrate trece band.

Pentru msurtori s-a folosit spectrul de putere al presiunii. S-au stabilit i metode bazate pe derivate, n funcie de variaiile rapide ale presiunii cilindrului n timpul fenomenului de detonaie, folosind prima, a doua i a treia derivat a presiunii cilindrului.

13.5.1.3 Sistemul de msurare i control al detonaiei Pe lng problema dezvoltrii unui traductor adecvat de detonaie, odat ce

parametrul ce va fi folosit este selectat, trebuie fixate i alte consideraii pentru efectuarea unui control adecvat.

Detonaia motorului poate fi redus n dou moduri: - prin reducerea avansului la aprindere sau - prin deschiderea unei supape de descrcare a turbocompresorului din

admisie. Motoarele moderne au deja control electronic de declanare a aprinderii, astfel

c, tot ce mai este necesar pentru controlul detonaiei este o modificare simpl a secvenei de comand a microcontrolerului. Strategiile de control pentru procesarea semnalului de detonaie trebuie s aib n vedere urmtoarele:

- frecvena de vibraie a detonaiei este specific modelului de motor, dar este 2 .. 12kHz pentru motoare de autoturisme; ieirea senzorului este astfel filtrat trece band cu un factor de calitate de 2;

- reverberaiile majore ale detonaiei pentru un anumit cilindru au loc ntr-o fereastr de timp care ncepe puin dup ce cilindrul atinge punctul mort superior i se ncheie dup 60 ... 90 unghi de rotaie a arborelui cotit; secvena de control permite semnalului de detonaie s treac i s fie mediat, cnd motorul este n aceste ferestre de timp;

- pentru a evita defectarea motorului, cnd semntura detonaiei depete o valoare limit, sistemul de control ntrzie aprinderea cu maxim 10 unghi de rotaie arbore cotit, astfel motorul nu va fi n detonaie nici n urmtoarele cteva perioade de ciclu; apoi controlerul avanseaz secvena pn cnd procesul se repet; acest lucru determin performane slabe pentru motor dar i asigur o siguran confortabil;

- limita pragului de detonaie este modulat n sistemul de control, pentru a crete cu viteza de rotaie a motorului astfel nct s compenseze zgomotul de fond la viteze mari.

208

13.5.2 Senzori de oc Folosesc bastonae magnetostrictive din aliaj de Ni, comprimate pe lungime i

magnetizate la saturaie de la un magnet permanent, acestea fiind elementele cu reluctana magnetic cea mai mare din circuitul magnetic.

Vibraiile motorului sunt transmise prin elementele de montare la bastonaele din aliaj de Ni. Aceste bastonae au lungimea astfel nct se comport ca elemente rezonante mecanic cu band mare de trecere. Comprimarea mecanic iniial a bastonaelor este suficient de puternic astfel nct oscilaiile mecanice care apar s le scoat din compresie. Undele prezente moduleaz liniar reluctana magnetic a circuitului magnetic.

n bobina dispus n jurul bastonaelor magnetostrictive se genereaz o tensiune proporional cu viteza de variaie a fluxului magnetic, care este invers proporional cu reluctana magnetic a bastonaelor. Deoarece vibraiile se datoreaz acceleraiilor reverberaiilor detonaiei transmise prin blocul motor, tensiunea generat n bobin reprezint derivata a treia a deplasrii, deci ocul.

Semnalul de vibraie de la un motor n detonaie este prezent aproape peste tot n blocul motor, cu semnalele suprapuse de la toi cilindrii. Pentru motoare de autobuze, care rar au mai mult de opt cilindri, partea principal a semnturii detonaiei de la cilindri succesivi nu este suprapus n timp ci succesiv, fr suprapunere. Timpul de ntrziere determinat de distana de la cilindru la senzor este mult mai mic de 1 ms, n timp ce timpii ntre cilindri sunt 2,5 ms.

Amplitudinea semnalului de detonaie variaz n diverse puncte de pe blocul motor. Nu exist cel mai bun loc pentru senzor; ns, pentru un anumit model de motor exist un punct de amplitudine maxim n care trebuie s se monteze senzorul. Pragul de detonaie se determin experimental pentru un model de motor, cu senzorul montat n punctul de amplitudine maxim a semnalului.

13.6 Traductoare de cuplu motor

13.6.1 Introducere

Cuplul este unul din principalii parametri de stare ai unui motor; mpreun cu

viteza, este o mrime fundamental legat de puterea de ieire. Cuplul se poate defini ca momentul produs de arborele cotit al motorului ce tinde s roteasc arborele de antrenare de ieire i s furnizeze putere n sarcin. Cuplul nmulit cu viteza de rotaie reprezint puterea furnizat de un arbore. Conform legii lui Newton, cuplul C este egal cu momentul de inerie de rotaie, I nmulit cu acceleraia unghiular a. Astfel, la vitez de rotaie constant, puterea instantanee este proporional cu cuplul instantaneu.

209

Cnd un motor este folosit pentru acionarea unui autovehicul, operatorul poate comanda acceleraie incremental pozitiv sau negativ, cernd motorului cuplu mai mare sau mai mic. Dac motorul este cu aprindere prin scnteie, acest lucru se realizeaz prin modularea debitului de aer din calea de admisie. ntr-un motor diesel, operatorul controleaz debitul de combustibil, care depinde liniar de putere. Pentru motoare cu variaie lent a vitezei i sarcinii, o variaie incremental a puterii are ca efect o variaie a cuplului i deci o variaie a acceleraiei.

Cuplul cvasistabil. Este definit ca valoarea medie continu a cuplului ce variaz lent comparativ cu perioada dintre cilindri, dar rapid n raport cu variaiile de micare i sarcina autovehiculului. Pentru a cuantiza aceast stare, un motor nencrcat cuplat la o roat volant inerial, poate accelera de la ralanti la vitez maxim n 1 ... 5 s cnd clapeta de acceleraie este complet deschis i aceast performan este reprodus dac variaia poziiei clapetei de acceleraie are loc n 20 ms sau 1 ms. Cuplul cvasistabil este parametrul de interes ntr-un sistem de control a motorului cu reacie comandat de cuplu.

Cuplul instantaneu. Sistemele actuale de control electronice ale motorului rspund mult mai rapid pentru acei parametri de stare asociai procesului de dozare pentru fiecare cilindru. Pregtirea combustibilului i a aerului din ncrctur i reglarea avansului la aprindere au loc ntr-o scar de timp msurat n fraciuni ale perioadei cilindrului, adic 30 s 20 ms, corespunztoare strii instantanee a motorului. Este scara de timp a impulsurilor de cuplu, denumite cuplu instantaneu.

Pentru a folosi msurtorile de cuplu instantaneu, trebuie s se evidenieze faptul c motorul cu piston este o main ciclic n care funciile principale i parametrii care le caracterizeaz sunt legate n secvene mecanice de arborele cotit i axa cu came. Reglarea corect a acelor parametri care pot fi variai independent de trenul de evenimente instantanee ale cilindrului, permite generarea global a impulsurilor de cuplu n timp real.

13.6.2 Aplicaii de msurare a cuplului n automobile

Msurtori tradiionale de cuplu Principala folosire n automobile a msurtorilor de cuplu este la testarea i

evaluarea motoarelor folosind frna dinamometric. Traductorul de cuplu este introdus ca un ax de antrenare ntre motor i

dinamometru; axul traductorului este supus legii de torsiune a lui Hooke i se msoar rsucirea sa. Cuplul se msoar cu o punte cu mrci tensometrice pe axul de antrenare. Rsucirea maxim este aproximativ 1 pe 0,3 m de arbore, pentru motoare cu puteri de 50 ... 500 CP.

ntr-un traductor de cuplu de curent continuu cu mrci tensometrice, puntea tensometric este alimentat de la o surs exterioar prin inele alunectoare i

210

tensiunea de dezechilibru este preluat de la punte la fel. Traductorul este voluminos, fragil i scump. Un traductor mai robust cu mrci tensometrice n curent alternativ se obine cu transformatoare rotative.

Important este punerea la punct de finee a motorului pentru a furniza puterea maxim i consum minim de combustibil n diverse condiii. Deoarece puterea este cuplul nmulit cu turaia, dac testele sunt realizate la turaie constant, putere maxim nseamn cuplu maxim. Traductorul de cuplu este un indicator direct al modului n care sistemul de control mbuntete puterea.

La motoarele diesel de putere, preul motorului depinde de puterea sa. Motorul este testat la ieirea de pe linia de fabricaie pentru putere specificat la turaie nominal, msurnd cuplul i turaia.

Ocazional, traductoarele de cuplu sunt folosite la un motor care se testeaz n condiii de exploatare. Acest lucru se realizeaz direct n aplicaii staionare, dar nu instalat pe vehicul.

Msurtori de cuplu cu traductoare electronice Pentru aplicaii de control, un traductor de cuplu trebuie s aib acuratee mare

i vitez mare de rspuns. Cele mai multe traductoare disponibile nu au vitez mare, fiind proiectate pentru teste dinamometrice. Alte cerine:

- s fie robust, adic fr contact cu partea de acionare; - s suporte impulsuri de cuplu de 10 .. 20 ori mai mari fa de valoarea

maxim msurat, fr s-i degradeze acurateea: pentru traductoare cu mrci tensometrice, asta nseamn c traductorul trebuie s fie mereu n zona 5 ... 10% din gama de msurare, unde nu are acurateea maxim;

- instalarea traductorului s nu schimbe sensul sistemului de acionare, pentru evitarea deteriorrii echilibrrii, ce provoac vibraii de torsiune;

- axul traductorului s fie foarte scurt; din nefericire, pentru un dispozitiv bazat de legea de torsiune a lui Hooke, aceasta nseamn c unghiul de rsucire este foarte mic.

n ciuda acestor bariere pentru o proiectare satisfctoare, unele aplicaii folosesc traductoare electronice de cuplu instantaneu.

Exist metode de msurare pe teren a puterii motoarelor cu valori de 400 ... 500 CP. Pentru motoare montate pe autovehicule cu puteri mai mari, acest lucru este dificil pentru c nu sunt disponibile traductoare electronice robuste, iar motoarele sunt adesea montate pe maini foarte mari, funcionnd pe teren. Nu exist dinamometre att de mari pentru a ncrca motorul la putere maxim.

Autovehiculele de transport pasageri trebuie s echipate cu sisteme de diagnosticare a motorului, care s includ un detector de rateu de aprindere.

Motorul cu piston poate fi configurat n modul cu bucl de control, dac este echipat cu traductor electronic cu band de frecven foarte joas, capabil s rspund la fel de rapid ca motorul sau transmisia.

211

13.6.3 Traductoare directe de cuplu

a) Traductoare de cuplu de reacie

Cuplul poate fi msurat i cu celule de cuplu de reacie. Acest lucru este util pentru a msura cuplul cvasi-static, dar nu este un sistem bun de msurare pentru cuplul instantaneu, deoarece i motorul i sarcina au inerie i amortizare considerabile, care atenueaz impulsul de cuplu i introduc ntrzieri de faz. Aceasta nu este o msurtoare bun pentru sisteme de control electronice, deoarece elementele de montare ale motorului n autovehicul sunt proiectate s atenueze i s amortizeze instabilitatea vertical dat de iregularitile drumului sau sarcinii. De asemenea, n funcie de timp, temperatur, concentraia de ozon i alte variabile, acest sistem de msurare tinde s se rigidizeze i s schimbe ndoirea arcurilor motorului pe montur, n funcie de cuplu.

b) Traductoare de efort de torsiune

Traductoare cu vector magnetic. Aceste traductoare funcioneaz fr contact, pe principiul c domeniile magnetice dintr-un ax feromagnetic ce furnizeaz cuplu sunt distribuite aleator n lipsa cuplului, dar fiecare domeniu este uor rotit n direcie tangenial, cnd axul este rsucit n prezena cuplului. Dac se plaseaz in jurul axului o nfurare alimentat cu tensiune alternativ, nconjurat de patru nfurri de detecie legate n punte, amplitudinea tensiunii la ieirea punii este proporional cu componenta tangenial a vectorului magnetic i astfel cu rsucirea i cuplul.

Domeniile magnetice nu sunt distribuite perfect statistic pe o gam mic de unghi a axului i nu pot fi folosite pentru msurarea cuplului instantaneu. Pe un unghi mic al arborelui, vectorul de cuplu mediu nu este zero cnd cuplul este zero i ieirea are un zgomot cu o form care se repet la 360.

Traductoarele cu vector magnetic au acuratee rezonabil pentru msurarea cuplurilor cvasi-statice, dar au raport semnal / zgomot mic la msurarea cuplurilor instantanee.

S-a realizat i o variant simplificat i miniaturizat a acestui traductor, n care puntea a fost nlocuit cu o singur bobin tangenial, dar aceasta tot nu poate msura cuplul instantaneu.

Msurarea optoelectronic a rsucirii. Se bazeaz pe modificarea factorului de umplere a unor impulsuri optice la trecerea prin dou discuri cu fante, fixate la capetele unui ax. Un asemenea traductor este fr contact i robust, dar necesit lungime mare a axului i adaug rezisten la arcuirea transmisiei.

Traductoarele capacitive de rsucire folosesc electrozi cu segmente intercalate, decalai cu 1 ... 2, fixai pe dou discuri plate. Un disc este fix iar

212

cellalt se rotete cu arborele cotit. Se folosesc dou perechi de astfel de electrozi bazate pe msurarea fazei, pentru a obine semnal instantaneu, proporional cu torsiunea arborelui. Traductorul are nevoie de o anumit lungime a axului, dar este mai practic dect cel optoelectronic. De asemenea, poate indica i poziia unghiular a arborelui cotit.

13.6.4 Traductoare indirecte de cuplu

Msurarea indirect a cuplului necesit calcule n timp real n microcontroler

mpreun cu msurarea cu precizie a poziiei unghiulare instantanee a arborelui cotit. Traductoarele de presiune instantanee a cilindrilor folosesc traductoare de presiune piezoelectrice, bazate pe monocristale dopate, din cuar sau piezoceramice.

Semnalele de la traductoarele de presiune a cilindrilor necesit procesri n timp real folosind circuite integrate de procesare numeric (DSP), pentru a produce semnalele de cuplu. ntr-una din metode, se filtreaz zgomotul, iar semnalul de presiune este multiplicat cu unghiul instantaneu al arborelui i integrat pe gama reprezentativ de unghi a micrii n for a cilindrului. Analiza numeric a perioadei

Cnd un motor funcioneaz la vitez mic i sarcin mare, viteza unghiular instantanee a arborelui de ieire variaz cu frecvena fundamental a cilindrilor, deoarece micarea de compresie a fiecrui cilindru absoarbe cuplu. Raportul semnal / zgomot a msurtorii vitezei unghiulare instantanee (sau perioada instantanee) scade la creterea vitezei motorului i scderea sarcinii, dar este o cale util pentru deducerea cuplului motorului.

Perioada instantanee a formei de und este o variaie n jurul valorii medii a perioadei i se msoar cu un traductor de poziie a arborelui cotit, de precizie, cu muli dini.

Cnd o bujie produce scnteia sau este injectat combustibilul ntr-un cilindru diesel, presiunea din cilindru crete datorit ntrzierii aprinderii, timpului de propagare a flcrii finit i constant i datorit creterii temperaturii ce face s creasc presiunea. Dup ardere presiunea scade pe msur ce pistonul se deplaseaz sub presiunea gazelor. Cuplul mediu cel mai bun este atins la cilindrul unde impulsul de presiune nmulit cu sin ( fiind unghiul arborelui cotit) atinge un maxim prin integrare. Datorit ntrzierilor, aprinderea trebuie s aib loc mai nainte, pentru a poziiona vrful de presiune lng aceast valoare. Unghiul de avans al aprinderii trebuie s fie mai mare la turaii mai mari deoarece timpul de ntrziere n propagarea flcrii acoper un unghi mai mare al arborelui cotit la turaii mai mari.

213

13.7 Traductoare de presiune pentru automobile

13.7.1 Msurarea presiunii n automobile

n faza de dezvoltare i de utilizare a automobilelor sunt necesare diverse

msurtori de presiune pentru optimizarea performanelor, determinarea funcionrii n siguran, asigurarea conformitii cu legislaia i informarea oferilor. Traductoarele monitorizeaz funciile autovehiculului, dau informaii sistemelor de control, msoar parametrii i ofer date pentru diagnosticare.

Traductoarele de presiune folosite n automobile sunt de la dispozitive mecanice, cu deplasarea poziiei la aplicarea presiunii, la diafragme din cauciuc sau elastomer i traductoare semiconductoare bazate pe Si.

Tipurile de msurtori de presiune sunt divizate n cinci categorii de baz, independente de tehnologia de msurare folosit: presiune relativ sau efectiv, absolut, diferenial, nivel de lichid i comutator de presiune (manocontact).

13.7.2 Aplicaii ale traductoarelor de presiune n automobile

Cerinele de msurtori de presiune n automobile sunt de la cele de baz, de exemplu msurarea presiunii uleiului, la cele complicate, de exemplu presiunea diferenial a aerului ntre o parte i cealalt a autovehiculului.

Specificaiile automobilelor i ghidurile de testare au fost dezvoltate i publicate de SAE (Society of Automotive Engineers), n special pentru traductoare de presiune absolut din galeria de admisie.

Traductoarele de presiune dintr-un automobil se folosesc, uzual, pentru msurarea presiuni din galeria de admisie i a presiunii uleiului din motor i au potenialul multor alte msurtori de presiune.

Presiunea din galeria de admisie, barometric i presiunea amplificat turbo.

Presiunea absolut din galeria de admisie este folosit ca intrare pentru controlul combustibilului i aprinderii n sistemele de control a motoarelor cu ardere intern. Sistemul de vitez - densitate ce folosete traductorul de presiune absolut din galeria de admisie este preferat n locul controlului debitului masic de aer pentru c este mai ieftin, dar standardele de poluare determin muli productori s foloseasc debitul masic de aer la modelele viitoare.

Rezoluiile mari de 32 de bii ale controlerelor de motoare superioare i frecvenele de lucru mari dau acuratee mare traductoarelor de presiune absolut din galeria de admisie. Schimbrile anterioare de la controlere de 8 bii la 16 bii au

214

dus la o mbuntire de dou ori a rezoluiei conversiei numerice pentru presiunea de admisie din galerie. Unitatea de control pe 8 bii realiza conversia analog - numeric ntr-o ntrerupere de 4 ms a timer-ului, pentru a menine un echilibru cu alte controale, rezultnd un tinp de ntrziere de 1,1 ms, n perioadele de ntreruperi suprapuse. Microcontrolerul de 16 bii realizeaz conversia analog - numeric la fiecare 2 ms, reducndu-se timpul de ntrziere la 0.3 ms.

Banda de eroare a traductorului de presiune absolut din galeria de admisie a fost restrns, iar acurateea este 1% pe ntreaga gam de temperatur a automobilului.

Adesea sunt necesare traductoare barometrice n sistemele cu debit masic de aer, pentru a da informaii de altitudine pentru calculatorul de control al motorului. Traductoarele de presiune absolut a rezervorului i de presiune barometric sunt montate n module de control.

Turbocompresoarele tipice pot crete presiunea cu 80 kPa peste presiunea natural aspirat de motorul cu ardere intern. Crete astfel presiunea absolut maxim a senzorului la 200 kPa, iar celelalte cerine sunt scalate corespunztor.

Presiunea uleiului n automobile a fost iniial msurat cu o diafragm de cauciuc care nchide un

set de contacte ce d un semnal luminos de presiune joas a uleiului sau mic un poteniometru pentru a da un semnal analogic pentru un instrument indicator.

Sistemele electronice de msurare a presiunii uleiului folosesc senzor de presiune piezorezistiv din Si, circuite de protecie mpotriva vrfurilor de tensiune, circuite de amplificare a semnalului de la ieirea senzorului i circuite de comand de ieire att pentru o pomp de combustibil ct i pentru un aparat de msur electromagnetic. Circuitele de comand de ieire cu TEC dau cureni de 10 A, datorit radiatorului realizat din carcasa traductorului.

Unitatea electronic folosete tensiune de alimentare de 9 ... 16V i funcioneaz ntr-o gam de temperaturi de -40 ... +150C, cu acuratee 3,25% i neliniaritate < 0,25%.

Carcasa traductorului se asambleaz uor, iar traductorul se interfaeaz printr-un inel cu nchidere ermetic. Materialele pentru carcas i gelul protector care acoper traductorul sunt speciale, traductorul fiind garantat minim 10 ani.

Compatibilitatea de mediu Traductoarele de presiune trebuie interfaate frecvent cu medii cu cerine mai

mari dect cele ale componentelor electronice. De exemplu, msurarea presiunii uleiului de motor sau de transmisie, a presiunii combustibilului sau a nivelelor de fluide (ulei, benzin, fluid de rcire, etc.) necesit expunerea carcasei traductorului la fluide, ceea ce ar determina nefuncionarea circuitelor semiconductoare.

Problemele de interfaare la mediu sunt tratate n funcie de aplicaie. Cerinele de pre limiteaz folosirea oelului inoxidabil pentru carcase, dar se folosesc polimeri protectivi, materiale plastice i cauciuc stabile chimic i ieftine.

215

Presiunea uleiului de transmisie i presiunea de frnare Presiunea din transmisie este mrime de intrare pentru schimbarea treptei de

vitez la transmisia controlat de calculator i se msoar cu traductoare similare celor realizate pentru presiunea uleiului de motor.

Presiunea dintr-un sistem hidraulic, de exemplu din pompa central la un sistem ABS, este mult mai mare dect presiunea uleiului de transmisie care necesit un traductor cu presiunea relativ minim 500 psi. Presiunile dinamice relative din conductele de frn pentru autovehicule grele, pot fi sub 150 psi.

Optimizrile pentru dezvoltarea sistemelor ABS includ controlul deceleraiei pentru a obine distana cea mai scurt de oprire posibil cu un control ct mai bun al direciei. Stabilitatea crescut a direciei se obine prin reducerea vitezei de decelerare a roilor din spate. Controlul traciunii mbuntete stabilitatea n timpul accelerrii i realizeaz control independent pentru fiecare roat.

Autovehiculele pot avea un singur traductor de presiune pentru monitorizarea presiunii din sistemul hidraulic. Exist sisteme care dau informaia de presiune a frnelor prin detectarea debitului n motoarele din sistem. Pentru sistemul ABS-V1, nu este necesar un traductor de presiune pentru a obine presiune de frnare optim la fiecare roat. Alte sisteme ns se bazeaz pe viteza de apsare i eliberare a frnei pentru a controla blocarea. Autovehiculele comerciale au mai multe traductoare pentru a detecta presiunile de frnare. Traductoarele cuplate la cilindrii de frn dau informaii despre presiunea real, care este comparat cu valoarea de referin, memorat n unitatea de control.

Presiunea pneurilor Monitorizarea continu a presiunii pneurilor crete economia de combustibil i

sigurana autovehiculelor. Pneurile cu presiune prea mic au frecare de rulare mare i cresc consumul de combustibil.

Pneurile cu presiune prea mare sunt suprasolicitate i se pot sparge n mers. Umflate necorespunztor, pneurile au forme neregulate care scad durata de via. Sistemele disponibile de msurare a presiunii pneurilor constau din cte un traductor de presiune (sau comutator) la fiecare roat, indicator de turaie a roii, traductor de temperatur, un transmiator de radiofrecven, receptor / controler electronic i display. Presiunea pneurilor crete cu temperatura aproximativ cu 1,5 psi la fiecare cretere cu 10C a temperaturii aerului din pneuri, astfel c sistemul trebuie s aib prevzute corecii. Creterea brusc a temperaturii i presiunii este detectat de aceste sisteme care dau un avertisment privind o posibil explozie a pneului.

Presiunea gazelor de evacuare recirculate Presiunea de ntoarcere a gazelor de evacuare recirculate (EGR - exhaust gas

recirculation) i o presiune diferenial se manifest pe supapa EGR, folosit pentru controlul emisiilor de NOx. Supapa este modulat de un vacuum ce ridic un cep i permite recircularea gazelor de evacuare. O variaie a presiunii

216

vacuumului de la 50 la 90 mmHg este suficient pentru a deschide complet supapa, iar presiunea diferenial tipic pe supap este 200 mmHg. Msurtorile de presiune sunt realizate n timpul fazei de dezvoltare pentru a stabili caracteristici de funcionare a sistemului. Tipic, se folosete un traductor de poziie pentru a msura poziia supapei EGR.

Pompa de carburant i presiunea vaporilor Evaporrile care au loc atunci cnd motorul este oprit, sunt stocate curent ntr-

o canistr cu carbon de aproximativ 850 ... 1500 cm3, pn cnd motorul este n funciune. Vaporii sunt apoi consumai de camera de ardere i convertorul catalitic. Implementarea vaselor de siguran pentru depozitarea vaporilor de hidrocarburi necesit canistre de depozitare n automobil cu volum de 3 ... 4 ori mai mare dect volumul canistrelor existente. Dac n sistem trebuie detectate scurgerile, se folosete un traductor de presiune de diagnosticare.

Filtrul de combustibil i regulatorul de presiune n rezervorul de benzin stabilesc traseul combustibilului. Pompa de benzin este n rezervor, eliminndu-se conducta de retur a combustibilului. Sistemul menine temperaturi sczute ale combustibilului din rezervor, scznd evaporrile.

Prezena suprapresiunii Presiunile combustibilului de alimentare, pentru automobile cu sisteme de

injecie, sunt < 75 psi, dar pompele de combustibil dezvolt pn la 3200 psi pentru a deschide injectoarele. Vrfurile de presiune sunt reflectate napoi prin sistemul de alimentare, care are sub 300 psi n timpul fiecrui impuls de injecie a combustibilului.

Suprapresiunile create de rateuri dau o presiune > 75 psi la traductorul de presiune absolut din instalaia de alimentare cu combustibil din rezervor. Tehnicile folosite pentru prevenirea defeciunilor datorate suprapresiunilor sunt: stopuri mecanice n traductor, filtrarea mecanic a impulsului i un traductor proiectat s funcioneze la gama de suprapresiune.

Implicaiile asupra presiunii a altor tipuri de motoare i combustibil. Legislaia cere vehicule cu emisie sczut de noxe sau chiar emisie zero. Gazul

natural comprimat i pilele cu hidrogen necesit traductoare de presiune. Gazul natural comprimat este presurizat la 3000 psi i sistemul de distribuie

include regulatoare de presiune, traductor, supape i solenoizi de aer pentru mers n gol. nainte ca gazul natural s intre n motor, un regulator reduce presiunea gazului pn aproape de presiunea atmosferic. n ambele poriuni ale sistemului, de presiune mare i mic, sunt necesare traductoare de presiune.

Pilele de hidrogen sunt o alt surs potenial de energie pentru folosire n vehicule electrice. ntr-o variant denumit cu membran cu schimb de protoni, se folosete un turbocompresor pentru presurizarea sistemului i a meninerea hidraia membranei. Este nevoie de o presiune de minim trei atmosfere (0,3 MPa) pentru a

217

nltura apa. Aceast presiune sau cderea de presiune pe membran necesit monitorizare n timpul funcionrii. Presiunea de ardere Se msoar direct pentru detecia rateurilor. Presiunea mare ( 16 MPa) i gamele de temperaturi combinate cu ali factori de mediu ridic preul de proiectare al unui astfel de senzor. De aceea, n locul msurrii directe a presiunii se folosesc alte tehnici (msurarea cu fibre optice a emisiei luminoase a arderii i traductoare de cuplu fr contact).

La motorul cu ardere intern cu aprindere prin scnteie, arderea este un proces la volum constant i ciclul de putere este analizat folosind diagrame presiune - volum sau presiune - unghi arbore cotit. Exist mai multe tehnici pentru aceste msurtori n mediu de laborator.

Msurarea direct a presiunii (n cilindru) se face cu senzori piezorezistivi de diametru mic, plasai n (sau aproape) de bujii i elemente piezoelectrice sub form de rondele, plasate sub bujii. Pentru aceti senzori este necesar o frecven natural mare datorit msurtorilor dinamice implicate n procesul de ardere.

Msurarea indirect nregistreaz cuplul arborelui i deplasarea de faz optic. Alte msurtori de presiune Un sistem cu suspensie adaptiv poate fi realizat cu un amortizor cu absorbant de oc, controlat de presiunea aerului. Sistemul are dou pompe de aer i nou solenoizi de reglare a presiunii aerului, bazai pe semnale de la traductoare, printre care un traductor de presiune a aerului n partea din spate a autovehiculului care msoar ncrcarea. Circuitul de comand selecteaz suspensie uoar (soft), medie sau grea (hard). Un alt sistem utilizeaz un rezervor de aer ncrcat la o presiune de 1 MPa de un compresor. Un comutator de presiune monitonzeaz scderea presiunii sub 760 kPa pentru a rencrca rezervorul. Amortizoarele cu aer funcioneaz la 300 kPa, nencrcate i la 600 kPa, la ncrcare maxim pe spate.

Sistemele de nclzire, ventilare i aer condiionat cu agent de rcire CFC-12. ncep s fie nlocuite cu cele cu agent de rcire HFC-134a. n al doilea caz eficiena scade cu 6 %, presiunea de descrcare a compresorului este mai mare cu 175 kPa i temperatura de descrcare mai mic cu 8C.

Msurarea presiunii dezvoltate la umflarea pernei de aer de protecie este o parte a criteriilor de evaluare, calificare i acceptan de lot pentru tehnicile de umflare a pernei de aer de protecie. Msurtorile de presiune de vrf necesit rspuns n gama zeci ms. Presiunile pernei umflate sunt sub 100 kPa. Dispozitivele de umflare hibride folosesc gaz inert stocat (de exemplu argon) i traductor de presiune pentru monitorizarea strii gazului stocat.

Sistemele de injecie a combustibilului tip acumulator, din camioanele speciale grele, pentru motoare diesel cu injecie direct, au combustibilul presurizat la 20 ... 100 MPa n acumulator, cu o pomp de mare presiune. Presiunea acumulatorului este monitorizat pentru a reduce particulele de impuriti n suspensie n aer (fum,

218

funingine). O alt metod de reducere a particulelor este folosirea fibrei ceramice drept filtru ntr-o canistr. Un traductor de presiune monitorizeaz presiunea invers i permite regenerarea filtrului prin arderea particulelor acumulate. Se folosete un element de nclzire n capcan, care permite atingerea unei temperaturi de 700C n filtru.

13.7.3 Tipuri de traductoare de presiune

Pentru msurarea presiunilor dinamice i statice n automobile se folosesc

traductoare bazate pe: diafragm - poteniometru, transformator liniar diferenial variabil (TLDV), camer aneroid, senzori capacitivi din Si sau ceramici, mrci tensometnce piezorezistive, senzori piezoelectrici ceramici sau cu strat subire i deplasarea de faz optic. Traductoarele recente dau un semnal electric uor interfaabil la microcontrolere.

Frecvent folosite sunt dispozitivele mecanice, n laborator pentru calibrarea i dezvoltarea componentelor, sau n autovehicule n timpul fazelor de dezvoltare ale sistemelor. Dispozitivele mecanice folosite sunt: tubul Bourdon, diafragmele, tuburile ondulate, manometrele i aparatele de msurare cu contragreutate.

Manometrul este folosit ca instrument de msurare a presiunii i ca standard de calibrare a altor instrumente. Este simplu, cu acuratee mare i se bazeaz pe msurarea nlimii unei coloane de lichid. Tipuri de manometre: cu tub U, cu rezervor i cu tub nclinat.

Alte traductoare de presiune folosite: McLeod, Pirani, Alphatron, cu senzori cu termocuplu, etc.

13.8 Traductoare de debit