Co je snímač rozdílu tlaku výfukových plynů?

Tlak je jednou z důležitých fyzikálních vlastností tekutin – kapalin, roztavených kovů a plynů. Ve strojírenství jsou různé kapaliny a plyny široce používány jako pracovní tekutiny v systémech strojů a mechanismů, takže je často potřeba měřit a řídit tlak v těchto prostředích.

Moderní konstrukce vozidel také využívají velké množství tlakových senzorů pro různé kapalné a plynné kapaliny a jejich počet neustále roste.
Bez ohledu na metodu měření mohou senzory detekovat přetlak, absolutní nebo diferenční tlak. V tomto případě lze použít různé tlakové jednotky.
Aby se vyloučil možný zmatek v těchto jednotkách, v tabulka 1 Jsou uvedeny vztahy mezi jednotkami měření tlaku používanými v různých technických zdrojích.

Tabulka 1. Tlakové jednotky

Pascal
(Pa, Pa)
Bar
(bar, bar)
Technická atmosféra
(v, v)
Fyzická atmosféra
(bankomat, bankomat)
Milimetr rtuti
(mm Hg, mm Hg, Torr, torr)
Síla libra na čtvereční palec*
(psi, lbs)
1 × 10 6
din/cm 2
1 mmHg Umění.
1 mmHg Umění.

* nesystémová jednotka měření tlaku, někdy používaná v USA a některých anglicky mluvících zemích.

В tabulka 2 Některé součásti vozidla jsou zobrazeny tam, kde je potřeba měřit tlak za účelem získání řídicích signálů pro ESAU.

Tabulka 2. Některé tlakové senzory používané v automobilové technice

Systém vozidla
Měřený parametr
Charakteristická hodnota tlaku je
bar
Řízení motoru
Převodovka (převodovka)
Protiblokovací brzdový systém
Airbagy

Senzory barometrického a absolutního tlaku v sacím potrubí

Takové snímače se používají v automatických řídicích systémech automobilových motorů ke stanovení objemového průtoku vzduchu za účelem regulace množství paliva vstřikovaného během provozního cyklu. Tato regulace je nezbytná pro zajištění požadovaného složení směsi vzduch-palivo při různých provozních režimech spalovacího motoru a za různých vnějších podmínek.

Tato metoda měření je levnější na provedení ve srovnání s přímým měřením hmotnostního průtoku vzduchu, ale je méně přesná a používá se v palubních diagnostických systémech OBD-II druhé generace.

V některých konstrukcích motorů ESAU se takový snímač tlaku používá ve spojení s měřičem průtoku vzduchu a u přeplňovaných motorů může být použito několik snímačů tlaku.

Senzory barometrického (atmosférického) tlaku přizpůsobují ECU motoru změnám nadmořské výšky a změnám atmosférického tlaku. Obvykle se používá ve spojení s objemovým průtokoměrem vzduchu v jednom krytu.

Atmosférický tlak se měří při zapnutí zapalování před nastartováním motoru. Pokud je vozidlo provozováno v podmínkách velkých změn nadmořské výšky (například v horách), je nutné zastavit a znovu nastartovat motor, aby se dodávka paliva přizpůsobila nové nadmořské výšce.

Obr. 1. Kombinovaný senzor barometrického tlaku a vakua:
a) Ford, b) Chrysler; 1 – trubka spojující podtlakovou hadici se sacím potrubím; 2 – spojovací trubice do atmosféry

Systémy řízení motoru často používají kombinované snímače, které měří jak atmosférický tlak, tak tlak v sacím potrubí (obr. 1). Tyto senzory se někdy nazývají senzory MAP (Tlak vzduchu v potrubí) a je připevněn přímo ke stěně sacího potrubí.

Snímače používané k měření podtlaku v sacím potrubí mohou být různého provedení.

Diskrétní tlakové senzory jsou zařízení, kde dochází k zavírání a otevírání kontaktů působením elastické membrány vystavené měřenému tlaku.

Kontinuální tlakové snímače jsou buď potenciometr, jehož jezdec je spojen s membránou, nebo induktor, do kterého membrána pod tlakem tlačí magnetické jádro.

Integrované tlakové senzory jsou připojeny k počítači přes přepínač a ADC. V závislosti na bitové hloubce ovladače může být krok vzorkování naměřených hodnot senzoru až 4 ms (8-bit), až 2 ms (16-bit). Tyto snímače se vyznačují malými rozměry, vysokou spolehlivostí a jednotným výstupním signálem, díky čemuž se používají pro připojení k analogovým nebo pulzním vstupům mikrokontroléru.

Moderní ESAU používají mikromechanické nebo tlustovrstvé tlakové senzory. Mikromechanické snímače tlaku (obr. 2) mají progresivnější design a poskytují vyšší přesnost měření. Většina moderních snímačů tlaku je postavena pomocí mikromechanické technologie.
Mikromechanické snímače jsou polovodičové snímače s tlakovým snímačem na křemíkovém krystalu, které využívají piezorezistivního efektu (str.je. 2, 3).

Na povrchu křemíkového krystalu je vytvořen můstek čtyř tenzometrů, jehož proud se mění vlivem průhybu citlivé membrány. Na jedné straně membrány je komora s podtlakem, na druhé straně je membrána ovlivňována tlakem vzduchu v sacím potrubí.
V závislosti na konstrukci snímače působí tlak přímo na membránu nebo přes ochrannou vrstvu.

Obr. 2. Mikromechanické piezorezistivní snímače T-MAP BOSCH absolutní tlak až 400 kPa: a) typický vzhled snímače; b) konstrukce senzorové buňky: 1-ochranný gel; 2-tlak; 3-dotykový čip; 4-připojitelné svorky; 5-keramický substrát; 6-skleněná základna; c) provedení tlakového snímače: 1-připojený přívod; 2-kryt; 3-dotykový krystal; 4-keramický substrát; 5-tělesové s měřicím tlakovým šroubením; 6-těsnění; 7-NTC prvek

Obr. 3. Zjednodušené elektrické schéma snímače absolutního (atmosférického) tlaku s kompenzačními obvody:
A – obvod teplotní kompenzace, B – měřící můstek, C – nastavení nuly, D – zesílení, E – teplotní kompenzace zesilovače

V krytu snímače je také umístěn nezávislý snímač teploty vzduchu pro teplotní kompenzaci a můstkový zesilovač napětí, jehož výstup generuje signál uvnitř 0,5…5 V.
Na základě výstupního napětí ECU odhadne tlak v sacím potrubí, čím vyšší je tlak vzduchu, tím vyšší je napětí (vztah mezi tlakem a výstupním napětím je obvykle lineární, tj. graf je nakloněná přímka).

Informace o tlaku v závislosti na provedení snímače je nesena hodnotou výstupního napětí nebo jeho frekvencí.
Chyba snímače absolutního tlaku v sacím potrubí je obvykle řádově 1%, a snímač barometrického tlaku – asi 1,5% a na okrajích provozního rozsahu se chyba zvyšuje jak v teplotě, tak v tlaku.

Snímače tlaku v kapalných médiích

Činnost takových snímačů je obvykle založena na převodu pohybu pružné membrány do polohy přepínače nebo šoupátka potenciometru. Na tomto principu fungovaly například ve starých konstrukcích snímače tlaku oleje ve spalovacích motorech.

Moderní automobily stále častěji používají křemíkové nebo keramické integrované senzory. Unifikační převodníky jsou umístěny přímo v pouzdře snímače. Existuje ochrana proti elektromagnetickému rušení, mikroobvody pracují při teplotách -třicet. +40 °С v podmínkách vibrací, při různých tlacích v agresivním chemickém prostředí.

Snímač tlaku paliva v akumulátoru systému Vstřikovací systém (obr. 4) se šroubuje přímo do vysokotlakého rozdělovače paliva. Palivo vstupuje do snímače otvorem v baterii a kanálem v těle snímače a působí pod tlakem na membránu.
Citlivý polovodičový prvek snímače umístěný na membráně převádí tlak na elektrický signál, který je zesílen v obvodu zpracování a odeslán do počítače.

Obr. 4. Snímač tlaku paliva v akumulátoru systému Vstřikovací systém:
1 – elektrické svorky; 2 – čip s obvodem zpracování signálu; 3 — membrána s citlivým prvkem; 4 – palivový kanál

U takových snímačů je průhyb membrány přibližně 1 mm při tlaku Lišta 1500, mění elektrický odpor snímacího prvku a způsobuje změnu napětí v měřicím můstku, do kterého je přiváděno napájení 5 B.
Primární signál se liší v rozsahu 0…70 mV, v závislosti na použitém tlaku, a je pak zesílen ve smyčce zpracování signálu na 0,5…4,5 V.
Přesnost měření tlaku snímače v hlavním pracovním rozsahu je ±2% plného rozsahu.

U vozů s automatickou převodovkou se k měření tlaku oleje v převodovce používají senzory.
K ovládání protiblokovacího brzdového systému (břišní svaly) je nutné změřit tlak v brzdových okruzích.
Tlak kapaliny v hydraulickém systému brzd je vyšší než v převodovce. Například v brzdovém systému automobilu je až až 10…15 barůa v obrysech břišní svaly může dosáhnout Lišta 35.
Konstrukce a princip činnosti těchto snímačů je podobný výše uvedeným snímačům.

Snímače tlaku v plynných médiích

Je známo, že automobil během provozu produkuje toxický odpad: 60% ve formě výfukových plynů, 20% ve formě plynů z klikové skříně a 20% v důsledku odpařování paliva. Všechny tyto emise jsou úspěšně potírány odpovídajícími systémy v rámci systému řízení motoru.

Pro snížení škodlivých účinků palivových par vstupují z nádrže do adsorbéru s aktivním uhlím, objem 850. 1000 cm 3 , kde se hromadí a v určitou dobu se spálí v motoru. Na obr. 5 znázorňuje systém pro sběr benzinových par z palivové nádrže, ve kterém je ventil se snímačem diferenčního tlaku použit pro řízení proplachování adsorbéru mezi tlakem v škrticí zóně sacího potrubí a tlakem palivových par v nádrži s provozní rozsah ±3,5 kPa.

Obr. 5. Systém rekuperace benzínových par

V moderních motorech ke snížení obsahu oxidů dusíku (NOx) ve výfukových plynech se systém používá EGR (Recirkulace výfukových plynů) recirkulace výfukových plynů. Tento systém je součástí motoru ESAU.
Oxidy dusíku se vyskytují ve spalovací komoře při teplotách nad 1370 ° C. Za přítomnosti slunečního záření NOx reaguje s uhlovodíky za vzniku karcinogenního fotochemického smogu.

V dílčích provozních režimech motoru ESAU snižuje teplotu spalování pracovní směsi zavedením malého množství (6. 10%) výfukových plynů z výfuku do sacího potrubí. Protože výfukové plyny jsou inertní, ředí směs vzduchu a paliva, aniž by se změnil poměr vzduch/palivo.
Množství přiváděných výfukových plynů je regulováno ventilem EGR, jehož správný chod neustále kontroluje ECU.
Například na některých autech v potrubí mezi EGR a sací potrubí měří rozdílový tlak na obou stranách pomocí snímače rozdílu tlaku. Když ventil EGR otevře, tento tlak se při ventilu sníží EGR zavřené, tlak na obou stranách vložky se vyrovná.

Při spalování paliva v naftovém motoru vznikají částice sazí – mikroskopické uhlíkové částice o průměru cca 0,05 μm na kterých jsou adsorbovány různé uhlovodíkové sloučeniny, oxidy kovů a síra. Složení částic sazí závisí na parametrech provozního procesu, provozních podmínkách motoru a složení paliva. Některé uhlovodíkové sloučeniny jsou nebezpečné pro lidské zdraví.
Filtr pevných částic zachycuje částice sazí obsažené v plynech. Když je filtr zaplněn sazemi na určitou úroveň, řídicí systém motoru spustí proces aktivní regenerace. Stupeň zaplnění filtru sazemi určuje řídící jednotka svým plynodynamickým odporem pomocí snímače rozdílu tlaků před a za filtrem pevných částic (obr. 6).

Obr. 6. Snímač diferenčního tlaku

Membránové potenciometrické snímače tlaku

V takových snímačích je citlivým prvkem pružná membrána nebo membrána. Při změně tlaku se jeho pohyb převede do polohy jezdce potenciometru.
Nevýhody potenciometrických snímačů jsou opotřebení a také statické tření, které ztěžuje regulaci v rozsahu menším než 0,5% nominální hodnoty.

Obr. 7. Potenciometrický snímač tlaku:
1 – převodník; 2 – kartáč; 3 – kontakty konektoru; 4 – držák kartáčku; 5 – osa vodítka; 6 – vodítko; 7 – vratná pružina; 8 – páka; 9 – tyč; 10,13 – tělo; 11 – membrána; 12 – kanál

Odporový drátový potenciometr s posuvným kontaktem je jedním z nejjednodušších a nejúčinnějších převodníků posuvu, u kterého je posuvný kontakt (šoupátko) spojen s membránou, která se pohybuje vlivem tlaku, a zbytek potenciometru je pevný.
Motor potenciometru je v kontaktu s jednotlivými závity na cívce, takže výstupní signál (napětí) převodníku se nemění plynule, ale formou střídání malých a velkých skoků. Malý skok nastane, když motor uzavře dvě sousední zatáčky, velký – v okamžiku, kdy se motor přesune do další zatáčky a otevře kontakt s předchozí zatáčkou.
Rozlišení takového převodníku proto závisí na průměru drátu a lze jej zvýšit použitím tenčího drátu. Potenciometr hustoty vinutí 50 otáčky na milimetr má omezující rozlišení 20 μm, což se blíží praktickému limitu.

Moderní automobily využívají potenciometry vyrobené filmovou technologií, kde odporovým prvkem je keramická základna s aplikovanou topologií vodivých, odporových a ochranných vrstev.
Takové senzory lze použít v poměrně drsných podmínkách.

Tlakové senzory založené na lineárních diferenciálních transformátorech (LDT)

Lineární diferenciální transformátor je elektromechanické zařízení, které vytváří elektrický výstupní signál úměrný pohybu feromagnetického jádra při působení posunutí membrány. LDT se skládá z primárního a dvou sekundárních vinutí, symetricky umístěných na válcovém rámu. Prutovité feromagnetické jádro volně se pohybující uvnitř vinutí zajišťuje spojení těchto vinutí magnetickým tokem (obr. 8 ).

Obr. 8. Schéma lineárního diferenciálního transformátoru

Při použití střídavého napětí U1 na primární vinutí (3. 15 V s frekvencí 2. 5 kHz) vzájemná indukce emf je indukována ve dvou sekundárních vinutích.
Sekundární vinutí jsou zapojena do série a zády k sobě, takže výsledný výstupní signál U0 Převodník je rozdíl mezi těmito napětími a je roven nule, když je jádro v centrální (nulové) poloze.
Při pohybu jádra z nulové polohy se zvyšuje napětí indukované v sekundárním vinutí, ke kterému se jádro pohybuje, a napětí indukované v druhém sekundárním vinutí klesá.
Výsledkem je diferenciální výstupní signál, jehož velikost závisí lineárně na poloze jádra. Fáze výstupního napětí se při průchodu nulovou polohou náhle změní o 180°. Informace o pohybu je nesena amplitudou a fází výstupního signálu.
Chyba při takovém převodu pohybu jádra na napětí je asi 0,25%. Transformační poměr diferenciálního transformátoru 10:1. 2:1.

LDT se na autech většinou nepoužívají, ale lze je využít např. pro měření absolutního tlaku v sacím potrubí, tlaku oleje, tlaku paliva atp. LDT se vyznačuje absencí tření, stabilitou výstupního signálu a schopností pracovat v agresivním prostředí.

Kapacitní snímače tlaku

Kapacitní snímače tlaku využívají metodu změny kapacity kondenzátoru při změně vzdálenosti mezi elektrodovými deskami. Konstrukce se v zásadě skládá z kondenzátoru, jehož jedna z desek je připevněna k elastické kovové membráně (nebo je vyrobena ve formě membrány). Při změně tlaku dochází k deformaci membrány s elektrodou a ke změně vzdálenosti mezi deskami kondenzátoru.

Obr. 9. Kapacitní snímač se silikonovým snímacím prvkem

Na znázorněném obrázku je jedna z desek kondenzátoru vyrobena ve formě elastické membrány, která se ohýbá, když se mění tlak, který na ni působí. Membrány pro takové senzory jsou obvykle vyrobeny z křemíku (obr. 9) nebo keramika, přičemž konstrukce snímačů jsou podobné bez ohledu na materiál membrány.

Na křemíkovém substrátu je pevná vrstva, která je spodní deskou kondenzátoru. V izolační vrstvě skla a křemene je upevněna křemíková membrána, která je druhou deskou kondenzátoru. Ve stejné izolační vrstvě jsou vodivé elektrody z obou desek kondenzátoru. Mezi deskami se vytvoří utěsněná dutina nebo vakuum. Někdy je prostor mezi deskami vyplněn olejem nebo nějakou organickou kapalinou.

Tyto snímače se stále častěji používají v různých systémech vozidel, například pro měření tlaku v pneumatikách, v sacím potrubí motoru atd. Například kapacita takových kondenzátorů používaných k měření sacího tlaku motoru se lineárně mění od přibližně 32 na 39 pF při změně tlaku z 17 na 105 kPa. Rozměry takového snímače 6,7 × 6,7 mm.