И диагностирования

ТЕМА 6. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Информационно-измерительная система предназначена для контроля за режимом движения и техническим состоянием автомобиля. С этой целью на автомобиле устанавливаются датчики, контрольно-измерительные приборы (КИП) и бортовая система контроля (БСК).

КИП информируют водителя о скорости движения автомобиля, частоте вращения коленчатого вала, количестве топлива в баке, температуре охлаждающей жидкости, давлении масла, напряжении бортовой сети. Кроме того, КИП предупреждают о возникновении аварийных режимов: в системе смазки двигателя – о падении давления масла, в системе охлаждения – о перегреве охлаждающей жидкости. Автомобильные КИП состоят из датчика и указателя, соединённых проводами. Датчик устанавливается в месте измерения и преобразует измеряемую физическую величину в электрический сигнал. Указатель размещают на приборной панели автомобиля.

БСК – это развивающаяся система, в функции которой входит представление водителю информации о ряде параметров систем и агрегатов автомобиля, при определённом значении которых возникает необходимость технического обслуживания. С помощью БСК возможен автоматизированный контроль уровня эксплуатационных жидкостей в заправочных емкостях, состояния тормозных накладок, исправности ламп приборов светосигнальной аппаратуры, состояния фильтров.

Для снижения трудоёмкости и уменьшения времени диагностирования автомобили оборудуют системой встроенных датчиков (СВД), имеющих выводы на штекерный разъём. К штекерному разъёму при диагностировании подключается диагностическая аппаратура, что даёт существенные преимущества по сравнению с традиционными способами подключения с помощью зажимов и фиксаторов. При наличии на борту автомобиля диагностического прибора, подсоединённого к СВД, водитель может самостоятельно с минимальными затратами времени оценить техническое состояние автомобиля.

К приборам и датчикам, входящим в информационно-измерительную систему автомобиля, предъявляются высокие требования. Они должны:

– выдерживать вибрации и тряски;

– оставаться работоспособными при значительных перепадах температуры;

– выдерживать воздействие агрессивной окружающей среды;

– обладать малой чувствительностью к пульсациям и изменениям напряжения бортовой сети.

ЛЕКЦИЯ 15. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ

1. ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

1.1. Реостатные датчики

Реостатный датчик преобразует перемещение в электрический сигнал. Сопротивление реостата R(l) изменяется при перемещении ползунка в соответствии с выражением

R(l) = R₀ + k·l,

где R₀ – начальное сопротивление реостата, k – коэффициент пропорциональности, определяющий крутизну изменения сопротивления, l – перемещение ползунка.

Реостатный датчик, выполненный намоткой провода с высоким удельным сопротивлением (нихром, константан), приведён на рис. 15.1, а. Недостатком такого датчика является зона нечувствительности, возникающая при перемещении ползунка в пределах диаметра провода.

Свободен от приведённого недостатка «намазной» датчик, сопротивление которого создает дорожка проводящей пасты на диэлектрической подложке (рис. 15.1, б). Изменяя профиль дорожки из проводящей пасты можно задавать требуемый закон изменения сопротивления реостата от перемещения.

Обычно реостатный датчик совмещают с датчиком, преобразующим измеряемую величину в перемещение ползунка. Например, мембрана датчика давления перемещает ползунок, а на выходе совмещённого датчика изменяется напряжение или ток в соответствии с изменением давления.

Общим недостатком рассмотренных датчиков является зависимость сопротивления, а значит и формируемого электрического сигнала от температуры окружающей среды.

1.2. Терморезистивные датчики

Терморезистивный датчик температуры (рис. 15.2, а) представляет собой латунный баллон 1, к основанию которого пружиной 3 прижат терморезистор 4, выполненный в виде таблетки. Пружина 3 имеет гальванический контакт с зажимом 2 датчика и изолирована от стенки баллона втулкой 5. Сопротивление терморезистора значительно уменьшается с увеличением температуры, что приводит к увеличению тока, протекающего через него.

В качестве сигнализатора аварийной температуры (охлаждающей жидкости, масла) применяются датчики, приведённые на рис. 15.2, б. Датчик имеет массивный латунный корпус 7, на дне которого под прижимной шайбой 6 находится петлеобразная биметаллическая пластина 1 с контактом 5. В выводном зажиме 3, изолированном от корпуса 2, может перемещаться по резьбе контакт 4. Завинчивая или вывинчивая этот контакт, устанавливают необходимую температуру срабатывания датчика. При достижении требуемой температуры (для охлаждающей жидкости 92 ÷ 98 ºС) биметаллическая пластина разгибается и замыкает контакты 5 и 4, что приводит к загоранию контрольной лампочки на приборной панели.

1.3. Датчики давления

Обязательным элементом датчика давления является мембрана – плоская или гофрированная пластина, выполненная из бронзы или какого-либо иного упругого материала, жёстко зажатая по краям. Герметичная полость, расположенная под мембраной, должна соединяться через штуцер с полостью измерения давления. Обычно мембрану снабжают устройством связи с передающим механизмом.

Отличие датчиков давления друг от друга заключается в способе преобразования перемещения мембраны в электрический сигнал. На рис. 15.3, а приведён реостатный датчик давления масла. Основными элементами датчика являются штуцер 1, мембрана 2, реостат 3 и ползунок 4. При подаче масла или воздуха в датчик мембрана под давлением выгибается и через качалку сдвигает ползунок по реостату. Возвратное движение ползунка происходит под действием пружины. Дроссель, запрессованный в штуцер датчика, создаёт большое сопротивление протеканию масла или воздуха и сглаживает колебания ползунка при резком изменении давления.

Датчик импульсной системы приведён на рис. 15.3, б. На центральную часть его мембраны 10 опирается выступом 11 упругая пластина 1 с контактом, соединённым с массой. В датчике размещена П-образная биметаллическая пластина, электрически изолированная от массы. На рабочее плечо 2 этой пластины навита спираль 3, один конец которой приварен к пластине, а другой 9 через упругий вывод 5 соединён с выводом датчика 6.

Второе плечо П-образной биметаллической пластины закреплено на упругом держателе 7, положение которого можно изменять поворотом регулятора 8. Это позволяет осуществлять настройку датчика, изменяя силу сжатия контактов 4 и 1. Изменение давления перемещает жёсткий центр мембраны, сила сжатия контактов 4 и 1 меняется и соответственно изменяется относительное время их замкнутого состояния.

Конструкция датчика сигнализатора аварийного давления приведена на рис. 15.3, в. К основным элементам датчика относятся штуцер 1, мембрана 2, неподвижный контакт 8, подвижный контакт 9. На жёсткий центр мембраны опирается рычаг выключателя, который замыкает или размыкает контакты, если давление превышает или падает ниже заданных пределов.

1.4. Датчики электронных информационных систем

Для измерения температуры широко применяются термопары. Они представляют собой соединение двух разнородных металлических проводников, например, медь – константан, хромель – алюмель, хромель – копель. Величина ЭДС между концами проводов, образующих термопару, зависит от разности температур этих концов и температуры спая и определяется материалом проводников, составляющих термопару. Зависимость ЭДС от температуры, например, в термопарах хромель – копель, хромель – алюмель стандартизирована. Термопара – маломощный источник ЭДС. В связи с этим её можно использовать только в комплекте с высокоомным приёмником, практически не потребляющим тока во входной цепи.

Для измерения температуры всё чаще находят применение полупроводниковые датчики – кремниевые и интегральные. Зависимость сопротивления кремниевой пластинки R_t от температуры t достаточно точно определяется выражением

R_t = R₂₅ [1 + α·(t - 25) - β·(t – 25)²],

где R₂₅ – сопротивление пластинки при 25 ºС, α и β – температурные коэффициенты, причём, α = 0,78·10^-2 град^-1, β = 1,84·10^-5 град^-1 .

В интегральном датчике измеряемой величиной является напряжение p-n перехода база-эмиттер кремниевого транзистора. Сопротивление p-n перехода зависит от температуры. Если ток через переход стабилизировать, то падение напряжения на нём будет зависеть от температуры.

Полупроводниковые датчики давления представляют собой кристалл кремния, на поверхности которого травлением по тонкоплёночной технологии сформирована круглая диафрагма. На диафрагму методом диффузии наносятся плёночные резисторы, образующие мостовую схему. При нормальном давлении сопротивление плеч моста одинаково, а выходное напряжение равно нулю. Если к диафрагме прикладывается давление, сопротивление одних резисторов увеличивается, а других – уменьшается. Мост оказывается разбалансированным, и на его выходе формируется сигнал, пропорциональный давлению. Недостатком датчика является зависимость сигнала от температуры.

Для измерения уровня топлива в баках применяется терморезистивный датчик. Так как теплопроводность воздуха и топлива различны, то и сопротивление датчика зависит от того, какая его часть погружена в топливо. Если ток, протекающий через датчик, стабилизирован, то напряжение на его выходе пропорционально уровню топлива.

Частота следования импульсов системы зажигания равна или кратна частоте вращения коленчатого вала. Поэтому первичная цепь этой системы часто используют в качестве датчика (например, для электронного тахометра). В информационных системах используются также индуктивные датчики или датчики Холла, подобные применяемым в системе зажигания.

2. УКАЗАТЕЛИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ПРИБОРОВ

На современных автомобилях применяются электронные, электромеханические и механические указатели. В качестве электромеханических указателей наиболее распространены магнитоэлектрические, электромагнитные и импульсные.

2.1. Магнитоэлектрические указатели

В качестве магнитоэлектрических указателей на автомобилях наиболее распространены трёхобмоточные логометры (рис. 15.4).

Обмотки L₁ и L₂ имеют и витков, расположены соосно, но намотаны встречно. Обмотка L₃ перпендикулярна двум первым и имеет витков. Применение трёх обмоток позволяет повысить точность логометра, так как расширяет пределы его шкалы до 120 ÷ 160 градусов. Рядом с обмотками располагается постоянный магнит, способный поворачиваться на своей оси.

При включении источника питания Е (ключ К замкнут) ток протекает по двум ветвям:

– L₂, L₃ и R_Т (сила тока определяется сопротивлением витков , и R_т),

– L₁ и R_д.

Значение тока, протекающего по второй ветви, определяется сопротивлением и R_д. Под действием токов в каждой обмотке формируются магнитодвижущие силы (МДС). Суммарная МДС формирует магнитный поток, под действием которого постоянный магнит и указатель принимают определенное положение на своей оси.

Изменение измеряемой величины приводит к изменению сопротивления датчика R_д, включённого параллельно катушке ω₁. Ток, протекающий по этой катушке, изменяет своё значение, изменяя напряжённость создаваемого ею магнитного поля и вызывая отклонение магнита и указателя логометра.

Достоинства магнитоэлектрических указателей:

– независимость показаний от величины напряжения питания;

– слабая зависимость от воздействия внешних магнитных полей;

– отсутствие зависимости показаний от температуры окружающей среды;

– отсутствие радиопомех.

2.2. Электромагнитные указатели

Подвижная часть измерительного механизма электромагнитного указателя представляет собой якорёк, выполненный из магнитомягкого материала, жёстко связанный с указателем. Неподвижная часть измерительного механизма – это две расположенные под углом друг к другу катушки индуктивности (обмотки электромагнитов 1 и 3 на рис. 15.5). Если МДС катушек уравновешены, то силы их воздействия на подвижную часть одинаковы и противоположны. При изменении сопротивления реостата 4, например, в сторону уменьшения, сила тока в катушке 1 увеличится, а в катушке 3 – уменьшится и якорёк 2 с указателем повернётся в сторону большей силы притяжения, т. е. к катушке 1. При увеличении сопротивления реостата отклонение указателя произойдёт в противоположную сторону.

Рассмотренный прибор находит применение для непосредственного измерения уровня топлива в баке автомобиля. На автомобилях ВАЗ и ГАЗ «Волга» датчики уровня топлива снабжаются контактным устройством, при помощи которого включается сигнализатор, оповещающий водителя о снижении уровня топлива до минимального значения и необходимости произвести заправку.

2.3. Указатели импульсной системы

Указатели импульсной системы могут применяться для измерения температуры или давления и используются совместно с термобиметаллическими импульсными датчиками (рис. 15.3, б). Конструкция указателя приведена на рис. 15.6, а. Она состоит из П-образной биметаллической пластины 3, которая одним концом закреплена на регулировочном зубчатом секторе 8, а другим соединена со стрелкой 7. На рабочее плечо термобиметаллической пластины 3 навита обмотка 1, включённая последовательно со спиралью 9 датчика (рис.15.6, б). Концы обмотки 1 выведены на зажимы 2 прибора. Второе плечо пластины 3, так же как и датчика, выполняет роль компенсатора изменения внешней температуры. Рабочий конец термобиметаллической пластины имеет крючок 6, зацепленный со стрелкой.

В исходном состоянии контакты 10 датчика замкнуты. После включения прибора (ключ К замкнут) в цепи спиралей 1 и 9 протекает ток, нагревая биметаллические элементы. Биметалл датчика изгибается, разрывая контакты 10. Время, в течение которого контакты 10 разомкнуты Т_р, зависит от значения измеряемой величины (температуры окружающей среды или давления). После остывания биметаллической пластины контакты 10 замыкаются на время Т_з и ток вновь начинает нагревать биметаллические элементы.

В установившемся режиме происходит периодическое размыкание контактов. Действующее значение тока, протекающего через спираль 1, зависит от относительного времени замкнутого состояния контактов:

I_д = I₀ · ,

где I₀ – сила тока в цепи при замкнутых контактах.

Ток I_д нагревает пластину указателя, которая деформируется и перемещает стрелку 7 по шкале. Чем больше температура измеряемой среды или чем меньше давление на контакты датчика, тем меньше Т_з, меньше I_д, температура пластины указателя и её деформация и, как следствие, меньше угол отклонения стрелки указателя от нулевого положения.

3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

3.1. Приборы контроля зарядного режима

В качестве измерителей зарядного режима аккумуляторной батареи используются амперметры, вольтметры и индикаторы заряда. Наиболее широкое применение находят амперметры и вольтметры электромагнитной и магнитоэлектрической системы.

Амперметр электромагнитной системы приведен на рис. 15.7, а. В состав амперметра входят основание 4, постоянный магнит 3, латунная шина 1, якорь 5 и стрелка 2. При разомкнутой электрической цепи якорь со стрелкой под действием магнитного поля постоянного магнита удерживается в среднем положении (на нулевом делении шкалы). При включении цепи ток заряда протекает через латунную шину 3. Магнитное поле, создаваемое этим током, воздействует на намагниченный якорь 5 со стрелкой 2, поворачивая их в ту или другую сторону. Направление отклонения определяется направлением тока, то есть зарядом или разрядом аккумуляторной батареи.

Амперметры магнитоэлектрической системы (рис.15.7, б) применяются на автомобилях с мощными генераторными установками и с задним расположением двигателя. Они позволяют уменьшить расход провода большого сечения.

Подвижная часть магнитоэлектрического амперметра представляет собой постоянный магнит 1 и стрелку 4, жёстко связанные и закреплённые на оси. Постоянный магнит размещён внутри неподвижной катушки 2, подключённой к шунту 3, по которому протекает измеряемый ток. Противодействующий момент создаётся неподвижным постоянным магнитом 5. Угол поворота подвижной части амперметра зависит от величины и направления тока, протекающего по шунту 3.

На ряде автомобилей, например, ВАЗ- 2105, -2107, -2108 для контроля напряжения в бортовой сети применяется вольтметр с магнитоэлектрическим измерительным механизмом. Шкала вольтметра имеет функциональные участки в диапазоне от 8 до 16 В:

– 8 ÷ 12 В – низкий заряд аккумуляторной батареи;

– 12 ÷ 15 В – нормально заряженная батарея и нормальная работа генераторной установки;

– 15 ÷ 16 В – ненормальная работа генераторной установки.

3.2. Спидометры и тахометры

Спидометры и тахометры применяются для контроля за скоростью движения автомобиля и частотой вращения коленчатого вала двигателя. По принципу действия спидометры разделяются на индукционные и электрические, а по способу привода – гибким валом и электроприводом.

Скоростные узлы всех спидометров имеют одинаковый принцип действия, но могут отличаться конструкцией. Основу скоростного узла составляет индукционный преобразователь (рис 15.8), включающий постоянный магнит 4 и металлический диск 2.

При вращении постоянного магнита относительно диска в последнем наводятся вихревые токи. Создаваемое вихревыми токами магнитное поле взаимодействует с полем постоянного магнита. В результате взаимодействия создаётся вращающий момент, приложенный к диску в направлении вращения постоянного магнита. Упругий элемент 1 создаёт противодействующий момент. Угол поворота стрелки 3 пропорционален частоте вращения.

Привод спидометра осуществляется гибким валом или электродвигателем. Гибкий вал применяют, если длина троса не превышает 3,55 м. Конструкция спидометра с приводом гибким валом приведена на рис. 15.9. Магнитный экран 5, охватывающий картушку (диск) 4 снаружи, служит своеобразным магнитопроводом и усиливает магнитный поток в зоне расположения картушки. Температурная погрешность спидометра компенсируется с помощью магнитного термошунта 3, прижатого к магниту 2. Его магнитная проницаемость снижается с ростом температуры, что компенсирует увеличение омического сопротивления картушки.

Счётный узел спидометра приводится во вращение от входного вала через червячную передачу, промежуточный вал и его передачи 10. Счётный узел состоит из набора цилиндрических барабанчиков, свободно установленных на общей оси. На их поверхности нанесены цифры от 0 до 9.

По виду зацепления счётных барабанчиков между собой счётные узлы бывают с внешним и внутренним зацеплением. Последнее зацепление преобладает. Каждый барабанчик, кроме первого, имеет с одной стороны двадцать зубьев, а с другой – два. Зубья и специальные шестерни – трибки обеспечивают привод от барабанчика к барабанчику так, что при полном обороте первого барабанчика второй повернётся на десятую часть оборота.

В приводе спидометра имеется редуктор, связанный с ведомым валом коробки передач. Его передаточное число выбирается с учётом передаточного числа червячных передач спидометра и радиуса колёс. С этим редуктором сцеплен конец гибкого вала. Максимальный счёт пути – 99999 км, после чего показания счётчика сбрасываются.

Более совершенным является электропривод, выполненный по схеме генератор – двигатель. Электрическая схема такого привода приведена на рис. 15.10. Ротор генератора, выполненный в виде постоянного магнита, соединён с ведомым валом коробки передач. Напряжение, снимаемое с фазных обмоток L1, L2, L3 усиливается транзисторами Т1, Т2, Т3 и передаётся на обмотку синхронного двигателя. Ротор двигателя, выполненный в виде постоянного магнита, механически связан со скоростным узлом, преобразующим частоту вращения в показания спидометра.

Скоростной узел электрических тахометров, датчики и схемы управления аналогичны соответствующим узлам спидометров. Датчиком для электронного тахометра является первичная цепь системы зажигания, откуда на тахометр поступают импульсы, частота следования которых пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Схема электронного тахометра приведена на рис. 15.11. На входе тахометра установлен формирователь импульсов на резисторах R₁, R₂ и конденсаторах С₁ ÷ С₄. Диод D₁ ограничивает отрицательную полуволну входного напряжения. Положительной пульсацией напряжения запускается ждущий мультивибратор на транзисторах Т₁ и Т₂. Мультивибратор формирует прямоугольные импульсы заданной амплитуды и длительности, следующие с частотой входного сигнала. Чем выше частота следования импульсов, тем больше среднее значение тока транзистора Т₁ и измерительного механизма магнитоэлектрического прибора ИМ. Шкала измерительного механизма проградуирована в единицах частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Терморезистор R₃ обеспечивает температурную стабилизацию тахометра. Стабилитрон D₃ предназначен для защиты от всплесков напряжения в бортовой сети.

3.3. Эконометр

Эконометр предназначен для экономии топлива на ускоряющих передачах и представляет собой вакуумметр. Эконометр измеряет давление во впускном коллекторе двигателя. Для этого его вход соединён шлангом с впускным трубопроводом за дроссельной заслонкой. Устройство эконометра непосредственного действия приведено на рис. 15.12.

Основной частью конструкции эконометра является трубчатая пружина 3, соединённая с входным штуцером. Изменение давления в ней заставляет её сжиматься или распрямляться. Возникающее при этом перемещение конца трубчатой пружины через зубчатый сектор 5 и трибку 1 передаётся на стрелку прибора.

При максимальной частоте вращения и малой нагрузке дроссельная заслонка прикрыта, давление за ней минимально и стрелка эконометра находится в левой части шкалы, показывая повышенный расход топлива. Его можно избежать переходом на другую передачу или изменением режима движения.

Нахождение стрелки в правой зоне шкалы свидетельствует об экономичном режиме потребления топлива. Колебание стрелки вдоль левой зоны указывает на неисправное функционирование клапанов или неправильную установку зажигания. Если колебания стрелки происходят вдоль левой зоны и захватывают правую зону, это указывает на потерю компрессии в двигателе.

Эконометры применяются на автомобилях «Москвич»-2141, ВАЗ-2108, -2109 и др.

3.4. Тахографы

Тахографы – это регистрирующие приборы, предназначенные для контроля за режимом работы автомобиля и его водителя, объективного расследования обстоятельств при дорожно-транспортных происшествиях. Тахографы позволяют регистрировать на диаграмме скорость движения, пройденный путь, время стоянки, работы двигателя, текущее время, расход топлива. Рабочий механизм поворачивает круглую диаграмму. В применяемых на отечественных автомобилях тахографах ТЭМС-1 перемещение диаграммы осуществляется шаговым двигателем этого механизма.

Перемещение пера самописца скорости осуществляется двигателем постоянного тока. Для записи расхода топлива используется также шаговый двигатель.

В последнее время появляются тахографы с записью показаний в памяти электронных устройств.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

15.1. Для чего предназначена СВД?

15.2. В чем заключаются особенности конструкции, достоинства и недостатки реостатных и намазных датчиков?

15.3. Для каких целей могут применяться терморезистивные датчики?

15.4. Почему показания магнитоэлектрического указателя не зависят от величины напряжения питания?

15.5. Используя рис. 15.5, докажите, что с уменьшением сопротивления реостата 4 стрелка указателя переместится влево.

15.6. Почему стрелка импульсного указателя (рис. 15.6) не меняет своего положения при каждом размыкании контактов датчика 10?

15.7. Какие функции выполняют постоянные магниты в амперметрах на рис. 15.7?

15.8. Какой конструктивный элемент спидометра на рис. 15.9 повышает его чувствительность?

15.9. Зачем в схему электрического привода спидометра (рис. 15.10) включены диоды D₁ ÷ D₃?

15.10. Для каких целей в схеме электронного тахометра (рис.15.11) используется потенциометр R₇?

Дата добавления: 2015-05-06