Вопрос. Измерительные преобразователи (контрольно-измерительные приборы)

Приборы измерения давления и разряжения (манометры) применяют в авто­мобиле для контроля давления масла в двигателе, воздуха в пнев­матической тормозной системе, масла в гидромеханической пере­даче, в централизованной системе подкачки воздуха и др.

Эксплуатация автомобиля с неисправными приборами контроля давления масла и воздуха запрещена, так как может привести к аварийным режимам. Для экстренного привлечения внимания во­дителя во многих системах манометр дублируется сигнализатором аварийного давления.

В последние годы широко применяется прибор, контролирующий разрежение во впускном коллекторе – эконометр. Руководствуясь показаниями этого прибора, водитель имеет возможность выборарежима движения, соответствующего наименьшему расходу топлива.

По способу измерения манометры делятся на приборы непо­средственного действия и электрические. Приборы непосредствен­ного действия имеют чувствительный элемент и указатель, уста­навливаемый на приборной панели. Давление контролируемой среды подводится к чувствительному элементу по трубопроводу.

Электрические манометры основаны на преобразовании не­электрических показателей в электрические и содержат датчик и указатель, связанные линией передачи.

К приборам непосредственного действия относятся манометры с трубчатой пружиной, а к электрическим – термобиметаллические импульсные и логометрические с реостатным датчиком.

Основной деталью манометра с трубчатой пружиной (рис. 2.1) является упругая плоская или овальная трубка 4 споперечным се­чением, симметричным относительно главных ее осей X и У. Труб­ка изогнута по дуге окружности и состоит из одного неполного витка. Один конец трубки впаян в штуцер 7, через отверстие в котором жидкость или воздух из контролируемой системы попадает в труб­чатую пружину, а второй конец соединен с тягой 6, которая через передаточный механизм, закрепленный в корпусе 1, приводит в движение стрелку 2 прибора.

Под действием давления внутри трубки она расширяется (размер по малой оси ее поперечного сечения /увеличивается, а по большой оси X уменьшается). Длина дуг А ₂и А ₁ наружной и внутренней стенок трубки при этом практически не изменяется. Вследствие этого кри­визна дуги, по которой изогнута трубчатая пружина, снижается, а трубка разгибается. При разгибании трубки ее свободный конец пе­ремещается, передвигая связанную с ним стрелку прибора. Регули­ровка осуществляется с помощью подвижной платы 8 и винта 9.

В манометрах с трубчатой пружиной передача к стрелке 2 осу­ществляется трубчатым сектором 5 и трубкой 10. Пружина-волосок 3 на оси стрелки компенсирует влияние на показание прибора за­зоров в передаточном механизме.

Рис. 2.1. Приборы измерения давления и разрежения: а – манометр непосредственного действия; б – эконометр

Аналогичный принцип действия положен в основу работы эконометра (рис. 2.1,6). Манометрическая трубчатая пружина в данном случае реагирует не на давление, а на разрежение. По положению стрелки в одной из двух зон шкалы эконометра водитель может оце­нивать экономичность выбранного режима движения, а также полу­чать информацию о ряде неисправностей двигателя. При нахожде­нии стрелки в левой зоне двигатель работает под высокой нагрузкой или с большим ускорением. Происходит чрезмерное потребление топлива, что можно избежать, перейдя на другую передачу или изме­нив режим движения. Нахождение стрелки в правой зоне шкалы сви­детельствует об экономичном режиме потребления топлива. Колеба­ния стрелки вдоль левой зоны указывают на неисправное функцио­нирование клапанов или неправильную установку зажигания. Если стрелка колеблется вдоль левой зоны и захватывает правую зону, это указывает на потерю компрессии в двигателе.

Недостатками манометриче­ской трубчатой пружины, приме­няемой в автомобильных КИП, являются ее низкая виброустой­чивость и невысокая перегрузоч­ная способность.

Термобиметаллический им­пульсный манометр включает датчик и указатель. Датчик мано­метра (рис. 2.2) имеет мембрану 10, на центральную часть кото­рой опирается выступом 11 упру­гая пластина 1 сконтактом, соединенным с «массой». В датчи­ке размещена П-образная термобиметаллическая пластина, элек­трически изолированная от «массы». На рабочее плечо 2 этой пластины навита обмотка 3, один ко­нец которой приварен к термобиметаллической пластине, а второй 9 присоединен к выводному зажиму 6 через упругий вывод 5. На конце рабочего плеча термобиметаллической пластины установлен второй контакт 4. При отсутствии давления под мембраной контакт 4 соединен с контактом на упругой пластине 1. Второе плечо тер­мобиметаллической пластины закреплено на упругом держателе 7, положение которого в пространстве вместе с термобиметалличе­ской пластиной можно изменять поворотом регулятора 7.

Указатель термобиметаллического импульсного манометра (рис. 2.3) состоит из П-образной термобиметаллической пластины 3.

Пластина одним концом закреплена на регулировочном зубча­том секторе 8, адругим соединена со стрелкой 7.

Рис. 2.2. Датчик термобиметалли­ческого импульсного манометра

Рис. 2.3. Механизм импульсного термобиметаллического указателя

На рабочее плечо термобиме­таллической пластины 3 навита обмотка 1, включенная последо­вательно с обмоткой датчика. Оба конца этой обмотки выведе­ны на зажимы 2 прибора. Второе плечо пластины 3, так же как и датчика, выполняет роль компен­сатора изменения внешней тем­пературы. Рабочий конец термо­биметаллической пластины указателя имеет крючок 6, зацепленный со стрелкой. Крючок на пру­жинной пластинке 5 регулировочного сектора 4 также соединен со стрелкой.

При возникновении давления под мембраной датчика упругая пластина с контактом поднимается и входит в контакт с термобиме­таллической пластиной. Ток, проходящий по образовавшейся вследствие этого цепи, нагревает термобиметаллическую пластину указателя. Контакты датчика при нагревании рабочего плеча тер­мобиметаллической пластины вследствие ее изгиба размыкаются и прерывают ток до момента остывания пластины и последующего замыкания контактов.

При установившемся давлении в датчике происходит периоди­ческое размыкание контактов. При этом время разогрева термоби­металлический пластины датчика, когда контакты замкнуты, зависит от степени ее деформации (от давления в датчике). Время охлаж­дения пластины, когда контакты разомкнуты, зависит от степени нагрева пластины по отношению к окружающей среде. Чем больше давление в датчике, тем больше разогрев пластины указателя, так как время замкнутого состояния контактов датчика по отношению ко времени разомкнутого состояния возрастает. Эффективный ток в обмотке указателя увеличивается и его термобиметаллическая пластина деформируется и перемещает стрелку по шкале.

Логометрический указатель давления состоит из реостатного дат­чика и магнитоэлектрического указателя. Реостатный датчик (рис. 2.4) логометрического манометра состоит из основания 1 соштуце­ром, на котором закреплена гофрированная мембрана 2 с помощью стального ранта 3, несущего на себе реостат 4 с передаточным ме­ханизмом. В центре мембраны установлен толкатель 11, на который опирается качалка 9 с регулировочными винтами 10. Качалка воздей­ствует на ползунок 5 реостата, поворачивая его вокруг оси 6. Пружи­на 8 противодействует смещению ползунка. Чтобы пульсации давле­ния в контролируемой системе не вызывали колебаний ползунка по реостату, в канал штуцера датчика запрессована дюза 12 со стерж­нем для очистки прохода, которая создает большое сопротивление протеканию масла или воздуха и тем самым сглаживает влияние резких изменений давления на показания прибора.

При подаче масла или воздуха в датчик мембрана под давлени­ем выгибается и через качалку и опорную площадку сдвигает пол­зунок по реостату. При снижении давления мембрана под действи­ем собственной упругости опускается и возвратная пружина б сдви­гает ползунок и детали рычажной передачи в исходное положение.

Рис. 2.4. Реостатный датчик логометрического манометра

Рис. 2.5. Указатель логометрического манометра

В качестве указателя логометрического манометра применяют магнитоэлектрический прибор (рис. 2.5), состоящий из двух пласт­массовых полукаркасов 2, на которые намотаны три измеритель­ные катушки 5, причем одна катушка расположена под углом 90° к двум другим. Постоянный магнит 3 установлен внутри каркаса на одной оси со стрелкой 6. Магнит может поворачиваться, ориенти­руясь вдоль магнитных силовых линий результирующего вектора напряженности трех катушек. В каркасе установлен подпятник 4 оси магнита и стрелки. Мостик 7 закреплен на каркасе и служит опорой шкалы прибора. Между мостиком и шайбой, закрепленной на оси магнита, а также в подшипник вводят кремнийорганическую жид­кость, которая демпфирует колебания подвижной системы в усло­виях вибрации. Для возврата подвижной системы в нулевое поло­жение при включенном приборе служит миниатюрный магнит, закладываемый между полукаркасами. Для исключения воздействия на показания прибора посторонних магнитных полей и влияния по­лей катушек на показания других приборов собранный каркас раз­мещают в цилиндрическом экране 1.

При включении датчика и указателя в цепь питания (рис. 2.6) ток проходит по катушкам W ₁, W ₂, W ₃, по реостату датчика R _ди термо­компенсационному резистору R _тк. Изменение давления в контроли­руемой системе вызывает изменение сопротивления реостата дат­чика R _д, подключенного параллельно катушке W ₁. Ток, протекаю­щий по катушке W ₁, изменяет свое значение, что приводит к изменению вектора напряженности поля, созда­ваемого этой катушкой. Изменение сопро­тивления реостата R _д оказывает влияние на силу тока, протекающего в катушках W ₂, W ₃, но это влияние не такое существенное, как в случае с катушкой W ₁. Измене­ние направления результирующего векто­ра напряженности вызывает отклонение магнита и стрелки логометра.

Рис. 2.6. Электрическая схема логометрического манометра

Логометрические автомобильные при­боры вытесняют импульсные термобиме­таллические, поскольку они имеют ряд существенных преимуществ. Датчики логометров не имеют размыкающихся кон­тактов, которые подвержены эрозионному износу и создают помехи радиоприему. Логометрический указатель имеет больший угол перемещения стрелки, что дает возможность получить шкалу прибора с лучшей читаемостью показаний. Логометрический указатель лучше скомпенсирован от влияния измене­ния питающего напряжения и изменения внешней температуры, так как векторы напряженности магнитных полей всех катушек изменя­ют свою величину практически пропорционально при изменении питающего напряжения или окружающей температуры и поэтому направление суммарного вектора, а значит, и положение стрелки прибора не изменяется.

Применение на автомобиле манометра со стрелочным указате­лем давления часто недостаточно для обеспечения надежного кон­троля. Изменение давления за допустимые пределы может насту­пить неожиданно, и в этом случае сигнализатор давления в отличие от стрелочного прибора немедленно привлечет внимание водите­ля. В некоторых случаях в контролируемой системе вообще приме­няют только сигнализатор, не используя стрелочный прибор. На автомобилях находят применение сигнализаторы аварийного (ми­нимального) давления в системе смазывания, аварийного давления в пневмоприводе, в вакуумной системе открывания дверей и других рабочих системах автомобиля.

Рис. 2.7. Датчик ава­рийного давления

В качестве примера рассмотрим конструкцию датчика аварийно­го давления, применяемого на автомобилях ВАЗ и КамАЗ. Датчик (рис. 2.7) имеет корпус 9 в виде полого штуцера, который внутри разделен на две полости диафрагмой б из тонкой полиэфирной пленки. В полость под диафрагмой поступает масло из системы смазки и поднимает ее вместе с толкате­лем 6. В полости над диафрагмой уста­новлены неподвижный 7 и подвижной 1 контакты и пружина 5, противодействую­щая перемещению диафрагмы, которая выполняет роль чувствительного элемен­та датчика. Сверху корпус закрыт изолято­ром 4 со штекерным разъемом 2, под ко­торым установлен специальный фильтр 3, уравнивающий давление в надмембранной полости с внешним атмосферным.

При возникновении давления в поддиафрагменном пространстве датчика, сооб­щенном с контролируемой системой, диа­фрагма 8 выгибается и размыкает контакты 1 и 7, при падении давления контакты за­мыкаются, что приводит к включению кон­трольной лампочки на панели приборов.

Для эффективной работы систем и агрегатов автомобиля необ­ходимо контролировать их температурный режим работы. Напри­мер, при эксплуатации непрогретого двигателя резко снижаются его мощностные и экономические показатели, а его перегрев непре­менно ведет к снижению ресурса или возникновению неисправно­стей. Для контроля температурного режима работы узлов и агрега­тов на автомобиле применяются дистанционные термометры и сиг­нализаторы температуры, датчики которых устанавливают в кон­тролируемой среде, а указатели – на панели приборов автомобиля. По конструкции и принципу действия автомобильные приборы из­мерения температуры разделяются на термобиметаллические им­пульсные и логометрические.

Приборы измерения температуры. Термобиметаллический импульсный термометр состоит из дат­чика и стрелочного указателя. Датчик (рис. 2.8) представляет собой латунный тонкостенный баллон 9, закрепленный в корпус 6. Термо­биметаллическая пластина 3 баллона закреплена на изоляторе ос­нования 8. На термобиметаллическую пластину намотана нагрева­тельная обмотка 4, один конец которой соединен с контактом 2, а второй через контактную деталь 5 подходит к выводному зажиму 7. Неподвижный контакт 1 соединен с корпусом датчика.

Рис. 2.8. Датчик термобиметалли­ческого импульсного термометра

Указатель термобиметаллического термометра по своей конст­рукции и принципу действия аналогичен термобиметаллическому указателю давления (см. рис. 2.3).

Логометрические термометры, так же как и манометры, состоят из датчика и указателя. Конструкция и принцип действия указателей ло-гометрического термометра и указателя давления (см. рис. 2.5) ана­логичны. Терморезисторный датчик температуры (рис. 2.9) представ­ляет собой латунный баллон 1, к плоскому донышку которого с по­мощью токоведущей пружины 3 прижат терморезистор 4, выполнен­ный в виде таблетки. Пружина 3 верхним концом соединяется с за­жимом 2 датчика и изолирована от стенки баллона втулкой 5. Сопро­тивление терморезистора значительно уменьшается при увеличении его температуры, что приводит к возрастанию тока, проходящего че­рез измерительные катушки логометрического указателя.

Применение на автомобиле дистанционного стрелочного термо­метра не гарантирует, что внезапное нарушение теплового режима двигателя будет сразу замечено водителем. Поэтому в дополнение к стрелочному термометру устанавливают сигнализатор аварийной температуры. Причем, если система охлаждения двигателя жидкост­ная, датчик сигнализатора температуры устанавливают в верхний бачок радиатора. Если на автомобиле двигатель с воздушным охла­ждением, то датчик сигнализатора аварийной температуры устанав­ливают в смазочную систему и по температуре масла судят о темпе­ратурном режиме двигателя. Сиг­нализаторы применяют также для контроля температуры масла в автоматической коробке передач.

Рис. 2.9. Терморезисторный датчик температуры

Рис. 2.10. Датчик сигнализа­тора аварийной температуры

Все применяемые на автомоби­лях датчики сигнализаторов аварий­ной температуры являются биме­таллическими. Рассмотрим конст­рукцию датчика, применяемого на автомобилях КамАЗ для контроля аварийной температуры охлаждаю­щей жидкости. Датчик (рис. 2.10) имеет массивный латунный корпус 7, на дне которого под прижимной шайбой 6 находится петлеобразная термобиметаллическая пластина 1 с контактом 5. В выводном зажиме 3, изолированном от корпуса втулкой 2, может перемещаться по резьбе тарельчатый контакт 4, завинчивая или вывинчивая который, устанавливают температуру замыкания контактов. При достижении температуры охлаждающей жидкости 92...98°С (в зависимости от модели двигателя) термобиметалличе­ская пластина разгибается и замыкает контакты 5 и 4, что приводит к загоранию контрольной лампочки на приборной панели.

Приборы измерения уровня топлива предназначены для инфор­мирования водителя об имеющемся количестве топлива в баке ав­томобиля. Эта информация позволяет водителю рассчитать рас­стояние, которое может проехать автомобиль без дополнительной заправки топливом.

На современных автомобилях применяют дистанционные элек­трические указатели уровня топлива двух типов: электромагнитные и магнитоэлектрические (логометрические). Для непосредственного измерения уровня топлива в баке используются реостатные датчи­ки с поплавковым устройством, применяющиеся в комплекте как с электромагнитным, так и с магнитоэлектрическим указателем, уста­новленным на панели приборов.

Рис. 2.11. Электромагнитный указатель уровня топлива

Схема электромагнитного указателя уровня топлива показана на рис. 2.11. Наличие двух электромагнитов в указателе позволяет измерять уровень топлива независимо от изменений питающего напряжения. После замыкания выключателя зажигания ВЗ через обмотки электромагнитов 1 и 3 пойдет ток и установится результи­рующий магнитный поток, который, воздействуя на стальной якорек 2, соединенный со стрелкой прибора, установит стрелку в определенной части шкалы прибора. При отсутствии топлива в баке поплавок 5 датчика, находясь в нижнем положении, выведет со­противление 4 реостата датчика и закоротит обмотку электромаг­нита 3. Создаваемый этой об­моткой поток станет равным ну­лю. Магнитный поток обмотки 1 вызовет поворот якорька 2 и стрелки прибора в левую сторону шкалы к отметке 0. Стрелка будет удерживаться в этом положении после выключения прибора благо­даря наличию противовеса 7. По мере наполнения бака и всплытия поплавка выводится сопротивление реостата 4, что увеличивает ток и создаваемый им магнитный поток в обмотке электромагнита 3. Вследствие этого якорек со стрелкой повернется вправо. Наличие специального магнитопровода 6 обеспечивает замыкание магнитного потока через якорек 2.

Конструкция логометрического указателя уровня топлива анало­гична конструкции логометрического указателя давления и темпе­ратуры (см. рис. 2.5), но отличается обмоточными данными и раз­мерами резисторов. Логометрический указатель обладает значи­тельно меньшей погрешностью измерения по сравнению с элек­тромагнитным указателем благодаря отсутствию массивных магнитопроводов, магнитная проницаемость которых значительно изме­няется с изменением температуры. Кроме того, логометрические указатели обладают большим углом поворота стрелки, а якорек и стрелка логометра не имеют дисбаланса.

На автомобилях семейств ВАЗ и ГАЗ применяются дат­чики уровня топлива, снабженные контактным устройством, при по­мощи которого включается сигнализатор, оповещающий водителя о снижении уровня топлива до минимального значения и необходи­мости заправки.

Приборы контроля параметров системы электроснабжения. Для контроля за функционированием системы электроснабже­ния, обеспечивающей заряд аккумуляторной батареи и питание по­требителей, на автомобилях применяют амперметры и вольтметры. Амперметр включается между генератором и аккумуляторной бата­реей и измеряет силу зарядного или разрядного тока. Автомобильные амперметры относятся к электромеханическим приборам элек­тромагнитной или магнитоэлектрической системы.

Рис. 2.12. Амперметр электромаг­нитной системы

Амперметры электромагнитной системы (рис. 2.12) состоят из основания 4, постоянного магнита 3, латунной шины 1, якоря 5 и стрелки 2. При разомкнутой электрической цепи якорь со стрелкой под действием магнитного поля постоянного магнита удерживается в среднем положении на нулевом делении. При прохождении тока через латунную шину создается магнитное поле, под действием которого намагниченный якорь со стрелкой поворачивается в ту или другую сторону в зависимости от направления тока, Показывая за­ряд или разряд аккумуляторной батареи.

Рис. 2.13. Амперметр магнитоэлек­трической системы

На автомобилях с задним расположением двигателя и с генера­торными установками большой мощности для уменьшения расхода провода большого сечения применяют амперметры магнитоэлек­трической системы с подвижным постоянным магнитом (рис. 2.13). Подвижная система такого амперметра включает постоянный маг­нит 1 и стрелку 4, закрепленные на оси. Постоянный магнит разме­щен внутри неподвижной катушки 2, подключенной к шунту 3, по которому протекает измеряемый ток. Противодействующий момент создается неподвижным постоянным магнитом 5. Угол поворота постоянного магнита, а следовательно, и стрелки зависит от силы и направления тока, протекающего по шунту 3.

На ряде автомобилей, например ВАЗ-2105, -2107, -2108, для контроля за уровнем напряжения в бортовой сети применяется вольтметр. Он представляет собой магнитоэлектрический прибор с противодействующим магнитом.

Шкала вольтметра имеет участки в диапазоне 8...16 В:

- 8...12 В – низкий заряд аккумуляторной батареи;

- 12...15 В – нормально заряженная аккумуляторная батарея и нормальная работа генераторной установки;

- 15...16 В – ненормальная работа генераторной установки.

Приборы контроля режима движения и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для контроля режима движения и частоты вращения коленчато­го вала двигателя автомобили оборудуют спидометрами и тахометрами. По принципу действия спидометры разделяются на индукци­онные и электрические, а по способу приведения в действие – с приводом гибким валом и электроприводом.

Скоростные узлы всех спидометров вне зависимости от типа привода имеют одинаковый принцип действия, но могут различать­ся конструктивным исполнением. Основу скоростного узла состав­ляет индукционный преобразователь (рис. 2.14), включающий по­стоянный магнит 4 и металлический диск 2. При вращении постоян­ного магнита относительно диска в последнем наводятся вихревые токи. Создаваемое вихревыми токами поле взаимодействует с маг­нитным полем постоянного магнита. В результате этого создается вращающий момент, приложенный к диску в направлении враще­ния постоянного магнита. Пружина-волосок 1 создает противодействующий момент. В скоростном узле повороту подвижной системы противодействуют также момент от сил трения в опорах и момент от дисбаланса, но их влияние невелико и практически не сказыва­ется на работе узла. Поворот стрелки 3 в зависимости от частоты вращения определяется взаимодействием только момента посто­янного магнита и момента сопротивления пружины-волоска, что обеспечивает линейную зависимость угла поворота подвижной сис­темы от частоты вращения.

Рис. 2.14. Индукционный преобразователь

Скоростной узел спидометра приводится во вращение гибким валом или электродвигателем. Гибкий вал нашел широкое приме­нение на автомобилях, однако он имеет ряд недостатков: быстрое изнашивание, неравномерность вращения, ограничения по длине и сложность прокладки.

Более совершенным является электропривод, выполненный по схеме генератор – двигатель. Функции генератора выполняет син­хронный генератор, приводимый во вращение от ведомого вала коробки передач, а двигателем служит трехфазная синхронная электрическая машина, вал которой соединен со скоростным узлом спидометра. Электрическая схема такого спидометра представлена на рис. 2.15. Ротор генератора, выполненный в виде постоянного магнита, соединен с ведомым валом коробки передач. Напряжение, снимаемое с каждой фазной обмотки генератора, подается через линию связи на соответствующий транзистор. Частота импульсов напряжения, снимаемых с фазных обмоток генератора, пропорцио­нальна скорости движения автомобиля. В коллекторную цепь каж­дого транзистора включена соответствующая фазная обмотка при­водного двигателя. При открывании очередного транзистора, управляемого напряжением соответствующей фазы датчика, на­пряжение бортовой сети прикладывается к соответствующей об­мотке статора электродвигателя. Вследствие этого создается вра­щающееся магнитное поле статора двигателя, частота вращения которого пропорциональна скорости автомобиля. Ротор двигателя, на валу которого размещен постоянный магнит, механически свя­зан со скоростным узлом, преобразующим частоту вращения в по­казания спидометра. Резисторы R1... R6 служат для выбора рабо­чих точек соответствующих им транзисторов.

Рис. 2.15. Электрическая схема спидометра с электроприводом

Частота вращения коленчатого вала двигателя автомобиля мо­жет быть измерена тремя способами:

- с помощью специального датчика, регистрирующего частоту вращения коленчатого вала двигателя;

- путем регистрации частоты размыкания контактов прерывате­ля системы зажигания;

- путем регистрации частоты импульсов напряжения в одной из фаз автомобильного генератора.

Конструкция тахометра, имеющего датчик частоты вращения, аналогична конструкции спидометра с электроприводом, выпол­ненного по схеме генератор – двигатель. Его основное отличие за­ключается в месте установки датчика и градуировке шкалы. В элек­трической схеме тахометра (рис. 2.16) предусмотрен дополнитель­ный вывод 6, предназначенный для реле блокировки стартера.

Рис. 2.16. Электрическая схема тахометра с электроприводом

Диоды VD4, VD5, VD6, резистор R1 и стабилитрон VD7 служат для защиты транзисторов VТ1, VТ2, VТ3 от перенапряжения в момент за­крывания, когда в обмотках статора индуцируется ЭДС самоиндукции. Диоды VD1, VD2, VDЗ предо­храняют соответствующие им транзисторы от импульсов обрат­ной полярности.

Рис. 2.17. Электрическая схема тахометра, регистрирующего час­тоту размыканий контактов пре­рывателя системы зажигания

Принцип дейст­вия тахометра, регистрирующего частоту размыкания контактов прерывателя системы зажигания (рис. 2.17), основан на преобра­зовании импульсов, возникающих в первичной цепи системы зажи­гания при размыкании контактов прерывателя, и измерении их магнитоэлектрическим прибором. Блок формирования запускающих импульсов выделяет из входного сигнала в форме затухающей синусоиды импульс определенной длительности и формы, который затем подается как запускаю­щий на блок формирования измерительных импульсов. В исходном состоянии транзистор VТ2 открыт током, протекающим по цепи ре­зистора R10,конденсатор С5 заряжен. Напряжение на резисторе R5 создается в закрывающем направлении. Поэтому транзистор VТ1 закрыт. Положительный запускающий импульс, подаваемый на базу транзистора VТ1, открывает его, конденсатор С5 разряжается по цепи эмиттер-коллектор транзистора VТ1 и резистор R10. При этом транзистор VТ2 переходит в закрытое состояние и остается закрытым, пока конденсатор С5 не разрядится, так как к его базе приложен отрицательный потенциал.

Транзистор VТ1 открыт под действием тока, протекающего по цепи R8 - R9. При открытом состоянии этого транзистора через магнитоэлектрический измерительный прибор проходит импульс, длительность которого определяется параметрами разрядной цепи С5 – R10. После разряда конденсатора С5 схема скачкообразно переходит в исходное устойчивое состояние до прихода нового за­пускающего импульса. Следовательно, среднее эффективное зна­чение тока, проходящего через магнитоэлектрический прибор, бу­дет зависеть от частоты замыкания контактов прерывателя.

Рис. 2.18. Электрическая схема тахометра, регистрирующего частоту импульсов напряжения в фазе генератора

Работа тахометра, регистрирующего частоту импульсов напря­жения в одной из фаз автомобильного генератора (рис. 2.18), ана­логична работе вышеописанного тахометра, только в качестве управляющих импульсов используется сигнал напряжения с фазы генератора. Необходимость создания тахометра, регистрирующего частоту импульсов напряжения в фазной обмотке генератора, была вызвана широким применением дизельных двигателей, не имею­щих системы зажигания. В принципе для дизельных двигателей можно было бы применить тахометр с датчиком, но представлен­ная схема конструктивно проще и дешевле.

Датчики детонации. Детонация, т.е. взрывное воспламенение рабочей смеси в ци­линдрах двигателя, вызывает сильную вибрацию и перегрев двигателя, что может принести к механическому разрушению его деталей. В основе работы датчиков детонации лежит явление пьезоэлектрического эффекта (возникновение электрических зарядов при деформации кристаллов, рис. 2.19, а). При сжатии или растяже­нии прямоугольной призмы из кварца (двуокиси кремния) по оси Zна гранях F₂ появляются заряды противоположного знака (продольный пьезоэффект).

Величина каждого заряда:

,

где – заряд в кулонах; е – пьезоэлектрическая постоянная (для кварца она составляет 2,1∙10^-11 кулон/кг); – удельное давление в кг/см²; – площадь поверхности грани прямоугольной призмы в см².

2. 19. Принцип действия датчика детонации: а – кристалл кварца; б – схема датчика; 1 – инерционная масса (шайба); 2 – кварцевая пластина (пьезоэлемент); 3 – схема усиления и преобразования (нормирующий преобразователь)

В датчиках детонации сжатие кварцевой пластинки 2 обеспечивается инер­ционной массой 1 (рис. 2.19, б), вибрирующей вместе с деталями двигателя.

Напряжение на входе электронной схемы усиления и преобразования про­порционально давлению инерционной массы на кварцевую пластинку (пьезоэлемент):

,

где: С – емкость кварцевой пластинки; С_сх – емкость схемы, включая емкость

соединений.

В зависимости от параметров электронной схемы усиления и преобразова­ния датчики детонации выполняются резонансными или широкополосными. В резонансных датчиках амплитуда выходного напряжения резко возрастает и превышает пороговый уровень на одной (резонансной) частоте детонации. В широкополосных датчиках амплитуда выходного напряжения превышает поро­говый уровень в диапазоне частот детонации.

Рис. 2.20. Датчик детонации СТ305: 1 – штекер; 2 – изолятор; 3 – корпус; 4 – гайка; 5 – упругая шайба; 6 – инерционная масса; 7 – пьезоэлемент; 8 – контактная пластина

Датчик детонации СТ305 (рис. 2.20) широкополосного типа установлен справа на блоке цилиндров двигателя у четвертого цилиндра со стороны впуск­ного трубопровода и подключается к электрическому жгуту системы управ­ления посредством двухконтактного соединителя. Датчик состоит из квар­цевого пьезоэлемента 7, инерционной массы 6, упругой шайбы 5, контактной пластины 8, штекера 1, изолятора 2 и корпуса 3. При работе двигателя его детали вибрируют. Вибрация переда­ется инерционной массе 6 датчика, которая воздействует на пьезоэлемент с соответствующей частотой и усилием. В результате пьезоэффекта на выходе датчика появляются сигналы определен­ной величины и формы. При возникновении детонации амплитуда электрических сигналов датчика резко увеличивается. Блок управления реагирует на увеличе­ние сигналов датчика коррекцией угла опережения зажигания до прекращения детонации.

Датчик детонации 12.3855, устанавливаемый на автомобилях ВАЗ, резонансного типа, вворачивается в верхнюю часть блока цилиндров. Он содер­жит (рис. 2.21, а) корпус 11 с резьбовым штуцером 12, пьезоэлемент 2, пружину 1, резистор 7, подвижную опору 8, электрический разъем 6, штуцер 5 с основани­ем 4, электрические контакты 6 и крышку 9. Датчик снабжен встроенным шунтирующим резистором 3. В полости 10 датчика размещена подвижная опора 8, нагру­женная пружиной 1. Резистор 1 кинематически связан через пружину 1 с пьезоэлементом 2 и электрически с контактом 6. Пьезоэлектрический кристалл во время вибрации генерирует напряжение через усилитель 14 (рис. 2.21, б), размещенный на электрической плате 16 и сообщенный через электрическую цепь 13с «массой» автомобиля, а через резистор 15 – с источником питания 5 В. Резонансная часто­та его характеристики совпадает с частотой детонации. Датчик установлен в верх­ней части блока цилиндров двигателя и регистрирует даже очень слабую детона­цию. Блок управления обрабатывает полученный сигнал и корректирует угол опе­режения зажигания для устранения детонации. При отсутствии детонации на выхо­де датчика действует постоянное напряжение +2,5 В, получаемое в результате ра­боты делителя из резисторов R1 и R2. Сигнал детонации изменяется в обе сторо­ны от этого уровня (в диапазоне 0...5 В). Пьезоэлемент не пропускает постоянного тока, поэтому диагностирование цепи датчика затруднено. В случае обрыва в цепи датчика напряжение на входе в блок управления становится равным +5 В, а в слу­чае короткого замыкания равно нулю. В случае обнаружения неисправности блок управления существенно (на 10...15°) снижает углы опережения зажигания на большинстве режимов работы двигателя для гарантированного недопущения де­тонации. Мощностные и экономические характеристики автомобиля при этом ухудшаются, но значительно снижается риск повреждения деталей двигателя.

Рис. 2.21. Датчик детонации 12.3855: а – устройство; б – размещение датчика (17) на двигателях ВАЗ: 1 – пружина; 2 – пьезоэлемент; 3 – шунтирующий резистор; 4 – основание; 5 – штуцер; 6 – разъем; 7 – резистор; 8 – подвижная опора; 9 – крышка; 10 – полость; 11 – корпус; 12 – резьбовой штуцер; 13 – соединение с «массой»; 14 – усилитель; 15 – резистор; 16 – электрическая плата

Датчики массового расхода воздуха. Принцип действия. В датчиках массового расхода воздуха используется термоанемометрический метод измерения расхода, который основан на сносе тепла движущимся потоком воздуха. При помещении в движущуюся воздуш­ную среду нагреваемого током терморезистора (преобразователя термоане­мометра) снос тепла потоком воздуха является основным фактором, влияю­щим на теплоотдачу терморезистора. Сопротивление терморезистора изме­няется вследствие охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик расхода. На рис. 2.22 по­казан резистор в канале потока. Ток I нагревает резистор до температуры Т₁ (выше температуры окружающей сре­ды Т₂). При этом теплоотвод осуществляется различными путями, в том числе путем вынужденной конвекции (потоком воздуха). Взаимосвязь объ­емного расхода воздуха Q, температур Т₁ и Т₂, тока I, питания и сопротивле­ния терморезистора R определяется уравнением Кинга:

,

где К₁ и К₂ – постоянные коэффициенты.

Рис. 2.22. Принцип действия термоанемо­метра

Отсюда легко может быть вычислен объемный расход воздуха

.

В качестве преобразователей термоанемометров используются проволочные терморезисторы из платины и вольфрама с диаметром проволоки 5...20 мкм, фибропленочные терморезисторы из кварцевой нити, покрытой сло­ем никеля, и пленочные (из никеля).

Рис. 2.23. Функциональная схема датчика массового расхода воздуха: R1, R2, R3 – резисторы; R_Т – терморезистор; R_К – компенсационный резистор; У – усилитель

Преобразователи термоанемометров (терморезисторы) обычно включаются в мостовую измерительную цепь и работают в режиме заданной температуры (рис. 2.23). При нулевой скорости потока воздуха через терморезистор проходит некоторый начальный ток, который нагревает его до номинальной температуры, при которой мост находится в равновесии. При движении потока воздуха происходит охлаждение терморезистора, сопротивление его изменяется, равно­весие моста нарушается и на выходе усилителя У появляется дополнитель­ный ток, часть которого проходит через терморезистор. Выделяемое тепло компенсирует потери тепла, уносимо­го движущимся потоком воздуха. При этом температура и сопротивление терморезистора восстанавливаются до их номинальных значений. Расход воздуха определяется по значению то­ка, питающего мост. Для получения не­обходимого вида выходного сигнала в датчиках устанавливается электрон­ный преобразователь (ЭП). Электрон­ные преобразователи, устанавливае­мые в реальных датчиках, преобразуют изменения тока питания моста, пропорциональные расходу воздуха, либо в изменения частоты выходного напря­жения датчика (частотный выходной сигнал), либо в изменения величины выходного напряжения датчика (анало­говый выходной сигнал). Для уменьше­ния температурной погрешности в дат­чике вблизи основного термопреобра­зователя обычно размещают аналогичный по чувствительности терморези­стор, не омываемый потоком воздуха.

Дата добавления: 2014-01-15