Ремонт и техническое обслуживание автомобилей




Датчики давления




Общие сведения

Давление - одна из важных физических характеристик текучих сред - жидкостей, расплавленных металлов и газов. В машиностроении разнообразные жидкости и газы широко используются в качестве рабочих тел систем машин и механизмов, поэтому нередко возникает необходимость измерения и контроля над давлением в этих средах.

Конструкции современных автомобилей также используют большое число датчиков давления различных жидкостных и газообразных текучих сред, и их количество постоянно растет.
Независимо от метода измерения, датчики могут определять избыточное, абсолютное или дифференциальное давление. При этом могут использоваться разные единицы измерения давления.
Чтобы исключить возможную путаницу в этих единицах, в таблице 1 приведены соотношения между используемыми в различных технических источниках единицами измерения давления.

Таблица 1. Единицы измерения давления

 
Паскаль
(Pa, Па)
Бар
(bar, бар)
Техническая атмосфера
(at, ат)
Физическая атмосфера
(atm, атм)
Миллиметр ртутного столба
(мм рт. ст., mm Hg, Torr, торр)
Фунт-сила на кв. дюйм*
(psi, lbs)
1 Па
1 Н/м2
10-5
10,197×10-6
9,8692×10-6
7,5006×10-3
145,04×10-6
1 бар
105
1×106
дин/см2
1,0197
0,98692
750,06
14,504
1 ат
98066,5
0,980665
1 кгс/см2
0,96784
735,56
14,223
1 атм
101325
1,01325
1,033
1 атм
760
14,696
1 мм рт. ст.
133,322
1,3332×10-3
1,3595×10-3
1,3158×10-3
1 мм рт. ст.
19,337×10-3
1 psi
6894,76
68,948×10-3
70,307×10-3
68,046×10-3
51,715
1 lbf/in2

*внесистемная единица измерения давления, иногда употребляемая в США и некоторых англоязычных странах.


В таблице 2 приведены некоторые узлы автомобиля, где имеется необходимость измерения давления с целью получения управляющих сигналов для ЭСАУ.

Таблица 2. Некоторые датчики давления, применяемые в автомобильной технике

Система автомобиля
Измеряемый параметр
Характерная величина давления,
бар
Управление двигателем
Абсолютное давление во впускном коллекторе
0,2…2,0
Барометрическое давление
0,6…1,15
Давление в системе рециркуляции выхлопных газов
0,52
Давление топлива
4…6
Давление топлива Common Rail
до 2000
Коробка передач (КПП)
Давление масла
5,5
Антиблокировочная система тормозов
Давление тормозной жидкости
30
Подушки безопасности
Давление газа
0,5

***

Датчики барометрического и абсолютного давления во впускном коллекторе

Такие датчики используются в ЭСАУ автомобильных двигателей для определения объемного расхода воздуха, с целью регулирования количества впрыскиваемого за рабочий цикл топлива. Это регулирование необходимо для обеспечения заданного состава топливовоздушной смеси на различных режимах работы ДВС и при различных внешних условиях.

Этот способ измерения дешевле в реализации по сравнению с непосредственным измерением массового расхода воздуха, но менее точен и используется в бортовых диагностических системах второго поколения OBD-II.

В некоторых конструкциях ЭСАУ двигателей такой датчик давления используется совместно с расходомером воздуха, а в двигателях с наддувом могут использоваться несколько датчиков давления.

Датчики барометрического (атмосферного) давления адаптируют ЭБУ двигателя к перепадам высоты и изменениям атмосферного давления. Обычно применяются совместно с объемным расходомером воздуха в одном корпусе.

Измерение атмосферного давления производится при включении зажигании до запуска ДВС. Если автомобиль эксплуатируется в условиях больших перепадов высот (например, в горах), для адаптации подачи топлива к новой высоте необходимо останавливаться и перезапускать двигатель.

комбинированный датчик барометрического давления

Рис. 1. Комбинированный датчик барометрического давления и разрежения:
а) Ford, б) Chrysler; 1 – трубка соединения вакуумного шланга с впускным коллектором; 2 – трубка соединения с атмосферой

Часто в системах управления двигателем используются комбинированные датчики, измеряющие и атмосферное давление, и давление во впускном коллекторе (рис. 1). Такие датчики иногда называют MAP-сенсорами (Manifold Air Pressure) и крепят непосредственно к стенке впускного коллектора.

Датчики, применяемые для измерения разрежения во впускном трубопроводе, могут быть различных конструкций.

Датчики давления дискретного действия представляют собой устройство, где замыкание и размыкание контактов происходят под действием упругой мембраны, испытывающей измеряемое давление.

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

Интегральные датчики давления подключаются к ЭБУ через коммутатор и АЦП. В зависимости от разрядности контроллера шаг дискретизации показаний датчика может составлять до 4 мс (8-разрядный), до 2 мс (16-разрядный). Эти датчики отличаются небольшими размерами, высокой надежностью и унифицированным выходным сигналом, благодаря чему, они используются для подключения к аналоговым или импульсным входам микроконтроллера.

В современных ЭСАУ применяются микромеханические или толстопленочные датчики давления. Микромеханические датчики давления (рис. 2) имеют более прогрессивную конструкцию, и обеспечивает более высокую точность измерений. Большинство современных датчиков давления построены по микромеханической технологии.
Микромеханические датчики, это полупроводниковые датчики с преобразователем давления на кремниевом кристалле в работе которых используется пьезорезистивный эффект (рис. 2, 3).

На поверхности кремниевого кристалла сформирован мост из четырех тензорезисторов, ток через которые изменяется под действием прогиба чувствительной диафрагмы. С одной стороны диафрагмы расположена камера с вакуумом, с другой на диафрагму воздействует давление воздуха во впускном коллекторе.
В зависимости от конструкции датчика, давление воздействует непосредственно на диафрагму или через защитный слой.

микромеханические датчики давления

Рис. 2. Микромеханические пьезорезистивные датчики T-MAP BOSCH абсолютного давления до 400 кПа: а) типичный внешний вид датчика; б) конструкция сенсорной ячейки: 1-защитный гель; 2-давление; 3-сенсорный чип; 4-присоединяемые выводы; 5-керамическая подложка; 6-стеклянное основание; в) конструкция датчика давления: 1-присоединяемые выводы; 2-крышка; 3-сенсорный кристалл; 4-керамическая подложка; 5-корпус с фитингом измеряемого давления; 6-прокладка; 7-NTC-элемент

электрическая схема датчика абсолютного давления с цепями компенсации

Рис. 3. Упрощенная электрическая схема датчика абсолютного (атмосферного) давления с цепями компенсации:
А – цепь температурной компенсации, В – измерительный мост, С – подстройка нуля, D – коэффициент усиления, Е – термокомпенсация усилителя

В корпусе датчика также размещается независимый датчик температуры воздуха для температурной компенсации и усилитель мостового напряжения, на выходе которого формируется сигнал в пределах 0,5…5 В.
На основании выходного напряжения ЭБУ оценивает давление во впускном коллекторе, чем больше давление воздуха, тем выше напряжение (обычно зависимость давления и выходного напряжения является линейной, т. е. график представляет собой наклонную прямую линию).

Информацию о давлении в зависимости от конструкции датчика несет величина выходного напряжения или его частота.
Погрешность датчика абсолютного давления во впускном коллекторе обычно составляет порядка 1%, а датчика барометрического давления – около 1,5%, причем, по краям рабочего диапазона погрешность растет как по температуре, так и по давлению.

***




Датчики давления в жидкостных средах

Работа таких датчиков, как правило, основана на преобразовании перемещения упругой диафрагмы в положение переключателя или движка потенциометра. На таком принципе, например, в старых конструкциях, работали датчики давления масла в ДВС.

В современных автомобилях все больше используются кремниевые или керамические интегральные датчики. Непосредственно в корпусе датчика размещают унифицирующие преобразователи. Имеется защита от электромагнитных помех, микросхемы работают при температуре -40...+150 °С в условиях вибраций, при различных давлениях в агрессивных химических средах.

Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail (рис. 4) вворачивается непосредственно в топливную рейку высокого давления. Топливо попадает в датчик через отверстие в аккумуляторе и канал в корпусе датчика и под давлением воздействует на диафрагму.
Чувствительный полупроводниковый элемент датчика, расположенный на диафрагме, преобразует давление в электрический сигнал, который усиливается в обрабатывающем контуре и поступает в ЭБУ.

датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail

Рис. 4. Датчик давления топлива в аккумуляторе системы Common Rail:
1 - электрические выводы; 2 - чип со схемой обработки сигнала; 3 - диафрагма с чувствительным элементом; 4 - топливный канал

В таких датчиках прогиб диафрагмы приблизительно на 1 мм при давлении 1500 бар, изменяет электрическое сопротивление чувствительного элемента и вызывает изменение напряжения в измери-тельном мосту, на который подается питание 5 В.
Первичный сигнал изменяется в диапазоне 0…70 мВ, в зависимости от прилагаемого давления, и затем усиливается в контуре обработки сигнала до 0,5…4,5 В.
Точность измерения давления датчиком в главном рабочем диапазоне составляет ±2% от полной шкалы.

В автомобилях с автоматической трансмиссией применяются датчики измеряющие давление масла в коробке передач.
Для работы антиблокировочной системы тормозов (ABS) необходимо измерять давление в тормозных контурах.
Давление жидкости в тормозной гидравлической системе выше, чем в коробке переключения передач. Например, в тормозной системе автомобиля оно составляет до 10…15 бар, а в контурах ABS оно может достигать 35 бар.
Конструкция и принцип работы таких датчиков подобен рассмотренным выше датчикам.

***

Датчики давления в газовых средах

Известно, что автомобиль производит токсичные отходы в процессе эксплуатации: 60% в виде выхлопных газов, 20% в виде картерных газов и 20% за счет испарений топлива. Со всеми этими выбросами успешно борются соответствующие системы в составе ЭСАУ двигателем.

Для уменьшения вредного влияния испарений топлива они из бака поступают в адсорбер с активированным углем, объемом 850...1000 см3, где накапливаются и сжигаются в двигателе в определенное время. На рис. 5 показана система улавливания паров бензина из топливного бака, в которой для управления продувкой адсорбера используется клапан с дифференциальным датчиком давления между давлением в задроссельной зоне впускного коллектора и давлением паров топлива в баке с рабочим диапазоном ±3,5 кПа.

система улавливания паров бензина

Рис. 5. Система улавливания паров бензина

В современных двигателях для уменьшения содержания окислов азота (NOx) в выхлопных газах используется система EGR (exhaust gas recirculation) рециркуляции выхлопных газов. Это система является частью ЭСАУ двигателем.
Окислы азота возникают в камере сгорания при температуре выше 1370 °С. В присутствие солнечного света NOx вступает в реакцию с углеводородом, образуя канцерогенный фотохимический смог.

На частичных режимах работы двигателя ЭСАУ снижает температуру сгорания рабочей смеси, путем введением небольшого количества (6...10%) выхлопных газов из выпускного во впускной коллектор. Так как выхлопные газы инертны, то они разбавляют топливовоздушную смесь, не изменяя соотношения воздух/топливо.
Регулирование количества подаваемых отработавших газов производится клапаном EGR, исправность работы которого постоянно контролируется ЭБУ.
Например, на некоторых автомобилях в трубе между EGR и впускным коллектором измеряется дифференциальное давление по обе стороны с помощью датчика дифференциального давления. Когда клапан EGR открывается, это давление убывает, когда клапан EGR закрыт, давление по обе стороны вставки становится одинаковым.

При сгорании топлива в дизеле образуются частицы сажи – микроскопические углеродистые частицы диаметром около 0,05 мкм на которых адсорбируются различные углеводородные соединения, оксиды металлов и сера. Состав частиц сажи зависит от параметров рабочего процесса, режимов работы двигателя и состава топлива. Некоторые углеводородные соединения опасны для здоровья человека.
Сажевый фильтр задерживает содержащиеся в газах частицы сажи. При заполнении фильтра сажей до определенной величины система управления двигателем запускает процесс активной регенерации. Степень заполнения фильтра сажей определяется блоком управления по его газодинамическому сопротивлению с помощью дифференциального датчика перепада давления до сажевого фильтра и после (рис. 6).

дифференциальный датчик давления перепада давления

Рис. 6. Дифференциальный датчик давления перепада давления

***

Мембранные потенциометрические датчики давления

В таких датчиках чувствительным элементом является гибкая диафрагма или мембрана. При изменении давления ее перемещение преобразуется в положение движка потенциометра.
Недостатки потенциометрических датчиков заключаются в износе, а также в статическом трении из-за чего затруднено регулирование в диапазоне менее 0,5% от номинала.

потенциометрический датчик давления

Рис. 7. Потенциометрический датчик давления:
1 – преобразователь; 2 – щетка; 3 – контакты разъема; 4 – щеткодержатель; 5 – ось поводка; 6 – поводок; 7 – возвратная пружина; 8 – рычаг; 9 – шток; 10,13 – корпус; 11 – мембрана; 12 – канал

Резистивный проволочный потенциометр со скользящим контактом – один из наиболее простых и эффективных преобразователей перемещения, в котором скользящий контакт (движок) соединен с перемещающейся под действием давления мембраной, а остальная часть потенциометра закреплена неподвижно.
Движок потенциометра контактирует с отдельными витками на катушке, поэтому выходной сигнал (напряжение) преобразователя изменяется не непрерывно, а в виде чередующихся малых и больших скачков. Малый скачок возникает, когда движок замыкает два соседних витка, большой – в момент перехода движка к следующему витку и размыкания контакта с предыдущим витком.
Следовательно, разрешение такого преобразователя зависит от диаметра провода и может быть повышено путем использования более тонкого провода. Потенциометр с плотностью намотки 50 витков на миллиметр имеет предельное разрешение 20 мкм, что близко к практическому пределу.

В современных автомобилях используются потенциометры, выполненные по пленочной технологии, где резистивный элемент представляет собой керамическое основание с нанесённой топологией проводникового, резистивного и защитного слоёв.
Такие датчики могут эксплуатироваться в достаточно жёстких условиях.

***

Датчики давления на основе линейных дифференциальных трансформаторов (ЛДТ)

Линейный дифференциальный трансформатор – это электромеханическое устройство, вырабатывающее выходной электрический сигнал, пропорциональный перемещению ферромагнитного сердечника под действием смещения диафрагмы. ЛДТ состоит из первичной и двух вторичных обмоток, симметрично расположенных на цилиндрическом каркасе. Свободно движущийся внутри обмоток ферромагнитный сердечник в форме стержня обеспечивает связь этих обмоток через магнитный поток (рис. 8 ).

принципиальная схема линейного дифференциального трансформатора

Рис. 8. Принципиальная схема линейного дифференциального трансформатора

При подаче переменного напряжения U1 на первичную обмотку (3...15 В с частотой 2...5 кГц) в двух вторичных обмотках наводятся ЭДС взаимной индукции.
Вторичные обмотки включены последовательно и встречно, поэтому результирующий выходной сигнал U0 преобразователя представляет собой разность этих напряжений и равен нулю, когда сердечник находится в центральной (нулевой) позиции.
При перемещении сердечника из нулевой позиции напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, к которой движется сердечник, возрастает, а напряжение, индуцируемое в другой вторичной обмотке, уменьшается.
В результате вырабатывается дифференциальный выходной сигнал, величина которого линейно зависит от положения сердечника. Фаза выходного напряжения изменяется скачком на 180° при переходе через нулевую позицию. Информацию о перемещении несет амплитуда и фаза выходного сигнала.
Погрешность подобного преобразования перемещения сердечника в напряжение составляет около 0,25%. Коэффициент трансформации дифференциального трансформатора 10:1...2:1.

На автомобилях ЛДТ обычно не используются, но могут применяться, например, для измерения абсолютного давления во впускном коллекторе, давления масла, топлива и т.п. ЛДТ характеризуется отсутствием трения, стабильностью выходного сигнала и способностью работать в агрессивных средах.

***

Емкостные датчики давления

Емкостные датчики давления используют метод изменения емкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками-электродами. Принципиально конструкция состоит из конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на упругой металлической мембране (или выполнена в виде мембраны). При изменении давления мембрана с электродом деформируется, и расстояние между обкладками конденсатора изменяется.

емкостной датчик с кремниевым чувствительным элементом

Рис. 9. Емкостной датчик с кремниевым чувствительным элементом

На приведенном рисунке одна из обкладок конденсатора выполнена в виде упругой мембраны, которая прогибается при изменении действующего на нее давления. Мембраны для таких датчиков обычно выполняются из кремния (рис. 9) или керамики, при этом конструкции датчиков аналогичны независимо от материала мембраны.

На кремниевой подложке расположен твердый слой, являющийся нижней обкладкой конденсатора. В изолирующем слое стекла и кварца закрепляется кремниевая мембрана, являющаяся второй обкладкой конденсатора. В этом же изолирующем слое имеются токопроводящие электроды от обеих обкладок конденсатора. Между обкладками образуется герметичная полость или вакуум. Иногда пространство между обкладками заполняется маслом или какой-нибудь органической жидкостью.

Подобные датчики все чаще используются в различных системах автомобиля, например, для измерения давления в шинах, во впускном коллекторе двигателя и т.п. Например, емкость подобных конденсаторов применяемых для измерения давления впуска в двигатель и меняется линейно примерно от 32 до 39 пФ при изменении давления от 17 до 105 кПа. Размеры такого датчика 6,7×6,7 мм.

***

Датчики температуры и влажности

Принципы диагностирования датчиков



Главная страница


Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты