Тема 4. Автомобильные мультиметры
Лабораторная работа №4 Изучение устройства и работы
Цель работы: Изучение устройства и работы
Методические указания:
Цифровой мультиметр – универсальный, простой в применении, наглядный прибор для измерения электрических параметров. В настоящее время имеются десятки различных типов устройств, однако для использования на станциях технического обслуживания при приобретении устройства следует убедиться, чтобы оно было внесено в Государственный реестр средств измерений для того, чтобы могло пройти метрологическую поверку.
Первый мультиметр был изобретен в начале 1920 года Дональдом Макади в связи с неудобством носить большое количество отдельных инструментов, необходимых для произведения измерений. Мультиметр тогда еще назывался авометром и выполнял измерения в амперах, вольтах и омах. В продажу изобретение поступило в 1923 году.
Варианты конструктивного исполнения цифровых тестеров:
Принцип работы мультиметра основан на сравнивании входного сигнала с опорным. В основе цифрового мультиметра – АЦП двойного интегрирования. Изменение предела измерений реализуется на резисторных делителях; если в мультиметре есть милливольтовое деление, возможна реализация оборудования на встроенном усилителе с возможностью изменения коэффициента усиления. Напряжение измеряется путем прямого подключения к цепи. Измерение тока основано на падении напряжения на встроенных резисторах (разный резистор для разного предела измерения). Сопротивление измеряется при подаче фиксированного тока на резистор, с которого считывается значение (включение резистора реализовано на обратной связи инвертирующего усилителя).
Как пользоваться тестером
Примечание. Необязательно покупать самый дорогой прибор, для автоэлектрика достаточно нескольких функциональных возможностей, а именно: измерение постоянного напряжения и тока, измерение переменного напряжения, сопротивления, параметров диода.
Для начала работы к клемме 1 подсоединяем черный провод измерительного щупа, к клемме 3 – красный.
Измерение постоянного напряжения
Переводим переключатель в положение 4 на деление 1000 V, черный щуп подсоединяем к неизолированной части корпуса, красный – к точке проведения измерения, например плюсу аккумулятора. В случае измерения напряжения аккумулятора показания мультиметра должны быть в пределах 12,0–14,6 V. В противном случае аккумулятор разряжен. Для увеличения точности измерений можно перевести переключатель на предел 20 V, но не ниже. Аналогично проводим другие измерения. Можно проводить измерение напряжений непосредственно на каждом элементе или узле, подключив мультиметр параллельно элементу.
Измерение переменных напряжений
Как правило, этот вид измерений необходим при контроле напряжения сети переменного тока 220 В, к примеру в гараже. Переводим переключатель в положение 5 на предел 750 V. Подключаем щупы в гнезда розетки. Напряжение должно быть в пределах 210–230 V.
Измерение постоянного тока
Переведите переключатель в положение 6 на предел 200 m (200 миллиампер). Щупы мультиметра подсоедините в разрыв (последовательно) электрической цепи. Произведите измерения. Как правило, в автомобиле протекают большие токи, поэтому измерение производят в положении переключателя 2, соответственно подключив красный провод щупа ко 2-му разъему.
Измерение сопротивлений
Измерение сопротивлений элементов следует производить на отключенной от схемы детали. Переведите переключатель в положение 7 на предел 200 к (200 килоом). Подключите щупы параллельно детали. Произведите измерение, увеличивая точность путем перехода на более нижний предел. Сопротивление ламп накаливания обычно в пределах от 10 до 500 Ом, двигателей постоянного тока (система вентиляции, стеклоподъемники, дворники) – от 5 до 50 Ом, стартера – от 0,1 до 0,5 Ом, реле – от 10 до 5000 Ом.
Контроль исправности диодов
Наиболее часто такой вид измерений необходимо делать при проверке работоспособности индикаторов на приборной панели (светодиодов), современного светодиодного осветительного оборудования и генераторов. Производите контроль только на отключенном от схемы элементе. Положение переключателя поставьте на 8. Подсоедините щупы сначала в одном, затем в другом направлении. В одном из направлений показания прибора должны быть низкие – от 300 до 600 Ом, в другом – практически бесконечность (отсутствовать).
При эксплуатации мультиметра следует помнить основные правила:
– своевременно производите замену элемента питания, находящегося внутри мультиметра (как правило, он сигнализирует об этом);
– соблюдайте меры предосторожности при проведении измерений высоких напряжений, не пытайтесь измерить напряжение высоковольтных проводов системы зажигания – прибор выйдет из строя;
– ни в коем случае не производите контроль напряжений в положениях измерения токов и сопротивлений;
– храните прибор в выключенном положении;
– не производите измерения во влажной среде;
– не прикасайтесь к токопроводящим жилам при напряжении больше 50 В;
– следите за соответствием выбранного вида работы диапазону измерения.
Тема 5. Имитаторы сигналов атомобильных датчиков
Лабораторная работа №5 Изучение устройства и работы имитаторов сигналов автомобильных датчиков.
Цель работы: Изучение устройства и работы имитаторов сигналов автомобильных датчиков.
Методические указания:
Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ)
Тип: термопленочный датчик массового расхода воздуха Bosch HFM5 (рис. 1 и 2).
Рис. 2. Внешний вид ДМРВ HFM5.
Рис.1. ДМРВ HFM5 в сборе с измерительным парубком.
Назначение: определение с большой точностью массы воздуха проходящего через воздушный фильтр двигателя. ДМРВ является основным датчиком системы управления двигателем. Его показания обеспечивают расчет необходимого количества топлива и соответственно длительности открытия форсунки. Термопленочный ДМРВ учитывает пульсации и обратные потоки, вызываемые открытием и закрытием клапанов системы газораспределения. Изменения температуры всасываемого воздуха не оказывают влияния на точность измерений.
Рис. 4. Принцип измерения ДМРВ HFM5.
Рис. 5. Типичная характеристика ДМРВ HFM5.
Рис. 3. Схема ДМРВ HFM5.
Конструкция. Датчик HFM5 вместе со своим корпусом 5 (рис. 3) входит в измерительный патрубок 2. Измерительный патрубок установлен во впускном тракте за воздушным фильтром. Измерительный элемент 4 обтекает воздушный поток 8, и его показания обрабатывает интегрированная схема предварительной обработки результатов 3. Электронная схема посредством контактов 1 связана с измерительной системой. Измерительный канал 6 имеет такую форму, что воздух без завихрений может проходить через измерительный элемент на выход 7, а затем обратно в измерительный патрубок.
Принцип действия. На измерительном элементе 3 (рис. 4) датчика центрально расположенный нагревательный резистор обеспечивает нагрев микромеханической мембраны 5 и поддерживает постоянной ее температуру. Вне регулируемой нагревательной зоны 4 температура резко падает. Два терморезистора Т1 и Т2 соответственно в точках М1 и М2 на рис. 5, регистрируют распределение температуры на мембране 5. При отсутствии потока воздуха температурная характеристика 1 одинакова с обеих сторон зоны нагрева (Т1 = Т2). Если воздух обтекает измерительный элемент, то температурная характеристика 2 изменяется и между точками измерений М1 и М2 возникает разность температур ΔТ, которая является мерой массового расхода воздуха и направления потока.
Таблица 1.
№
|
Расход воздуха, кГ/час
|
Напряжение выходного сигнала, В
|
1
|
8
|
1,239
|
2
|
10
|
1,3644
|
3
|
15
|
1,5241
|
4
|
30
|
1,8748
|
5
|
60
|
2,371
|
6
|
120
|
2,9998
|
7
|
250
|
3,7494
|
8
|
370
|
4,1695
|
9
|
480
|
4,4578
|
Рис. 7. Опубликованная характеристика ДМРВ Bosch HFM5 типа 0280218019.
Т2
Т1
Т3
Т4
Рис. 6. Принципиальная схема ДМРВ HFM5.
Электрическая схема. Нагревательный резистор RH получает напряжение 12 В от контакта 2, постоянство температуры резистора RH контролируют терморезисторы Т3 и Т4. На контакт 4 измерительной схемы поступает напряжение 5 В, которое преобразуется, в зависимости от сопротивления терморезисторов Т1 и Т2 в выходной сигнал в диапазоне 0…5 В на контакте 5 (рис. 6).
Характеристика. В данной лабораторной стендовой установке используется ДМРВ Bosch HFM5 типа 0280218116.
Микромеханическая мембрана 5 (рис. 4) датчика очень тонкая и благодаря этому датчик имеет высокое быстродействие, позволяющее регистрировать изменение расхода воздуха в течение одного цикла. Постоянная времени ДМРВ Bosch HFM5, при изменении измеряемой величины на 63% составляет ≤ 15 мс. Точность измерения ДМРВ Bosch HFM5 ≤ 3%, что достаточно для проведения измерений в учебных целях.
Рис. 8. Используемая в системе измерений характеристика ДМРВ Bosch HFM5.
Для получения характеристики использованы опубликованные данные ДМРВ Bosch HFM5 типа 0280218019 см. табл. 1 и рис. 7.
Для преобразования выходного напряжения датчика в расход воздуха необходимо получить функцию, отражающую обратную характеристику по отношению к изображенной на рис. 8. При этом, учитывая возможность датчика измерять обратный поток, который может возникать во впускной системе при закрытии клапанов, необходимо дополнить искомую функцию зоной отрицательного расхода воздуха.
После соответствующей математической обработки получена функция, описывающая характеристику ДМРВ (рис. 8):
,
где U выходное напряжение ДМРВ Bosch HFM5Рис. 9. Общий вид датчика HRTS-5760-B-T-0-12.
Датчики, измеряющие температуру поверхностей двигателя
Тип: платиновый температурно-зависимый измерительный полупроводниковый резистор с положительным температурным коэффициентом Honeywell HRTS-5760-B-T-0-12.
Назначение: определение температуры поверхности конструкции. Датчики HRTS-5760-B-T-0-12 предназначены для измерения температур от -200° С до +480° С на печатных платах и в других приложениях. В лабораторной установке терморезисторы решают задачу контроля температурного состояния корпусных деталей двигателя для определения стадии прогрева двигателя и его готовности к проведению замера.
Конструкция. Датчики индивидуально калибруются, что позволяет производить их замену без последующей подстройки. После калибровки кристалл датчика заправляется стеклом, привариваются выводы и затем датчик упаковывается в керамический корпус см. рис. 9.
Принцип действия. Терморезистор (термосопротивление, термистор) - полупроводниковый прибор, действие которого основано на зависимости сопротивления полупроводников от температуры.
Нас интересует положительная зона измерения температур. В данной зоне в соответствии с данными, опубликованными Honeywell, зависимость сопротивления датчика HRTS-5760-B-T-0-12 определяют следующие зависимости:
; ; ; ; ; ;
R1
Rt
1
2
3
4
Рис. 13. Принципиальная схема включения терморезистора HRTS-5760-B-T-0-12.
Рис.10. Зависимость сопротивления
HRTS-5760-B-T-0-12 от температуры.
Рис. 11. Зависимость погрешности измерения HRTS-5760-B-T-0-12 от температуры.
На рис. 10 и 11 приведены графики зависимости сопротивления от температуры и погрешность измерения температуры.
Рис. 13. Используемая в измерительной системе характеристика терморезистора HRTS-5760-B-T-0-12.
Электрическая схема. Плата NI PCI-6221 обеспечивает измерение напряжения постоянного тока. С другой стороны терморезистор HRTS-5760-B-T-0-12 имеет ограничение по максимальному допустимому току равное 2 мА и типичный рабочий ток равный 1 мА. Следовательно, необходимо преобразовать изменение сопротивления терморезистора в изменение напряжения для обработки платой NI PCI-6221 и обеспечить требуемую силу тока на терморезисторе. Для этого преобразования терморезистор включается по схеме изображенной на рис. 12.
На контакт 1 подается напряжение U1 = 5 В, прецизионное сопротивление R1 имеет номинал 9880 Ω, контакт 2 является контактом сигнала для платы NI PCI-6221, а контакты 3 и 4 четыре заземляют плату NI PCI-6221 и измерительную схему соответственно.
Характеристика. В соответствии с законом Ома разность потенциалов U на контактах 2 и 3 будет определяться таким выражением:
.
Теперь зная зависимость выходного напряжения от сопротивления терморезистора и зависимость сопротивления от температуры, используя численные методы, получим функцию, описывающую характеристику датчика HRTS-5760-B-T-0-12 (рис. 14):
,
где U выходное напряжение схемы рис. 12.
Тип: пьезоэлектрический датчик детонации (рис. 15), в лабораторной установке используется российский аналог датчика фирмы Bosch имеющий обозначение 18.3855.
Назначение: по конструкции, датчик детонации является датчиком вибрации и в лабораторной установке применяется для регистрации акустических колебаний возникающих, в конструкциях и элементах двигателя в результате воздействия газовых и инерционных сил. Данный тип датчиков применяется в качестве датчиков детонации в автомобильных системах управления двигателем.
В установке используются два датчика вибрации, для регистрации вибраций в направлении оси цилиндра и вибраций перпендикулярных оси цилиндра в плоскости параллельной плоскости движения кривошипно-шатунного механизма.
Рис. 14. Датчик вибрации Bosch 0261231008.
Рис. 15. Конструкция и способ установки датчика вибрации Bosch 0261231008.
Конструкция. Конструкция пьезоэлектрического датчика вибрации приведена на рис. 16, где цифрами обозначены:
1 – пьезоэлектрический элемент;
2 – сейсмическая масса с усилиями сжатия F;
3 – корпус;
4 – затяжной болт;
5 – контактная поверхность;
6 – выходные контакты;
7 – головка цилиндра или цилиндр двигателя.
Принцип действия. Сейсмическая масса, благодаря своим инерционным свойствам подвергающаяся воздействию колебаний V, создает усилия сжатия F на кольцеобразном пьезокерамическом элементе такой же частоты, как и возбуждающие колебания. Внутри керамического элемента эти силы вызывают сдвиг заряда на внутренних сторонах керамического элемента. При этом возникает электрическое напряжение, которое снимается контактными дисками.
Чувствительность датчика определяется значением выходного напряжения, приходящегося на единицу ускорения (мВ/g) на выходе датчика. 1
Характеристика. Пьезоэлектрический датчик имеет следующие характеристики:
Частотный диапазон: 3…22 кГц
Диапазон измерения ускорения: 0,1…400 g
Чувствительность выше 5 кГц: 30±6 мВ/g
Собственная частота: > 20 кГц
Сопротивление: > 1 МΩ
Емкость: 800…1600 пФ
Температурная зависимость: ≤ 0,6 мВ/(g·°С)
Рабочая температура: – 40…+ 150 °С
Крепление датчика осуществляется болтом М8 с маркировкой твердости2 8.8 в сталь на глубину 25 мм, а в алюминий на глубину 30 мм. Момент затяжки 20 Н·м.
Датчик, измеряющий температуру отработавших газов
Тип: Хромель-алюмелевая термопара с открытым спаем. Обозначение ТХА (К).
Назначение: хромель-алюмелевые термопары используют для измерения температуры в диапазоне –200...+1300 °С. В лабораторной установке ТХА установлена в выхлопном патрубке непосредственно перед глушителем и обеспечивает измерение температуры отработавших газов в районе установки датчика кислорода.
1
2
3
4
5
6
Рис. 16. Конструкция ТХА с открытым спаем, использованной на лабораторной установке.
Конструкция. Чувствительный элемент термопары – горячий спай, это биметаллический шарик 6 рис. 16, полученный сваркой концов хромелевой 5 (темная) и алюмелевой 4 (светлая) проволок. Для установки в выхлопной коллектор термопара смонтирована в теле болта М10 (1 рис. 16) при помощи керамического изолятора 2. Герметичность конструкции и крепление изолятора обеспечивает термостойкий, обладающий высокими диэлектрическими свойствами клей 3.
Принцип действия. При нагревании горячего спая в результате термоэлектронной эмиссии на противоположных концах проводников возникает разность потенциалов, измеряемая в тысячных долях вольта. Для измерения возникающей эдс свободные концы электродов, называемые холодным спаем, соединяют с милливольтметром или потенциометром. Термо-эдс будет прямо пропорциональна разности температур спаянных и неспаянных концов.
Если температура холодных концов и рабочего спая - одинаковы, то термо-ЭДС = 0, хотя температура окружающей среды может быть любой.
Так как температура отработавших газов значительно превосходит температуру окружающей среды, а также учитывая, что измерения проводятся в учебных целях, то холодный спай (свободные концы термопары) не термостатируются. А выходные концы проволок термопары по средствам медных проводников соединены с измерительным входом платы NI PCI-6221.
Характеристика. Без учета потерь в проводниках и пренебрегая отсутствием термостатирования зависимость температуры горячего спая ХА термопары от возникающего на концах холодного спая ЭДС выражает простая зависимость (рис. 18): t = U·24390. В проводимых на данной лабораторной стендовой установке требуется оценка изменения температуры при изменении режима работы двигателя с точностью ± 10 °С, следовательно указанные допущения позволяют оценить температуру отработавших газов с достаточной точность.
Датчики, измеряющие разрежение во впускном патрубке и давление топлива перед форсункой
Рис. 18. Внешний вид датчика давления серии MPX в корпусе 867С.
Рис. 17. Используемая в измерительной системе характеристика ХА термопары.
Тип: Термокомпенсированные полупроводниковые дифференциальные датчики давления MPX5100DP и MPX5500DP с усилителем выходного сигнала. Датчик MPX5100DP и MPX5500DP (рис. 19) фирмы freescale (Motorola) выполнены на основе запатентованного фирмой Motorola кремниевого преобразователя X-ducer.
Назначение. Датчик MPX5100DP предназначен для измерения перепада давлений от 0 до 100 кПа. В измерительной системе учебной лаборатории датчик разрежения во впускном патрубке служит для того, чтобы контролировать разрежение, зависящее от положения дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала.
Датчик MPX5500DP предназначен для измерения перепада давлений от 0 до 500 кПа. В измерительной системе учебной лаборатории датчик контролирует давление топлива перед форсункой и совместно с датчиком разрежения за дроссельной заслонкой обеспечивает контроль перепада давления на форсунке.
Контроль перепада давления на форсунке позволяет делать вывод о стабильности работы системы подачи топлива и работоспособности регулятора давления обеспечивающего поддержание перепада равным 300 кПа.
Конструкция. Основа датчиков давления freescale (Motorola) серии MPX – уникальный запатентованный чувствительный элемент (преобразователь) X-ducer, представляющий собой Х-образную тензорезистивную структуру, имплантированную в кремниевую диафрагму. Преобразователь имеет высокие показатели линейности, повторяемости, чувствительности и отношения сигнал/шум. Преобразователь монтируется в пластмассовый корпус, который в зависимости от типа измеряемого давления снабжен одним или двумя портами подвода 5
4
6
2
7
8
9
10
Рис. 19. Сечение базового элемента дифференциального датчика давления на основе преобразователя X-ducer.
3
1
давления, или же не имеет их вообще. Большинство датчиков содержат элементы температурной компенсации характеристики, калибровки смещения и диапазона, а также схемы нормализации выходного сигнала, реализованные на том же кристалле что и X-ducer.
Семейство датчиков freescale серии MPX построено базовом элементе с преобразователем X-ducer см. рис. 20. Цифрами на рисунке обозначены:
1 – крышка из нержавеющей стали
2 – покрытие кристалла из гелеобразного фотозамещенного кремния
3 – дифференциальный чувствительный элемент (тензорезистор)
4 – отверстии приема давления Р1
5 – кристалл
6 – монтажная панель
7 – корпус из термопластика
8 – электрические контакты
9 – отверстие приема давления Р2
10 – крепление кристалла
Чувствительный элемент
Цепи калиб-
ровки и термо-компенсации
1-й каскад усиления
2-й каскад усиления, привязка к земле
UВХ
UВЫХ
Рис20. Схема термокомпенсированного датчика давления серии МРХ с усилителем выходного сигнала.
Принцип действия. На кристалле 5 (рис. 19) размещены дифференциальные чувствительный элементы – тензорезисторы 3. Под действием давления кристалл прогибается. Тензорезисторы изменяют свое электрическое сопротивление за счет механического растяжения под действием приложенного давления (пьезорезистивный эффект). Тензорезисторы расположены таким образом, что сопротивление одних увеличивается, а сопротивление других уменьшается. В результате изменения сопротивлений, в соответствии с величиной перепада давлений Р1 и Р2 изменяется выходное напряжение чувствительного элемента.
В лабораторной стендовой установке в качестве Р1 используется атмосферное давление, а отверстие 9 связано с впускным патрубком расположенным за дроссельной заслонкой.
Датчики MPX5100DP и MPX5500DP термокомпенсированные и включает в себя усилитель выходного сигнала. Выходное напряжение чувствительного элемента изменяется в диапазоне 0…80 мВ, встроенный усилитель приводит выходное напряжение к диапазону изменения 0…5 В. Схема термокомпенсированного датчика с усилением сигнала приведена на рис. 21.
Датчики давления freescale серии МРХ предназначены для измерения давления неагрессивных газовых сред. В связи с этим для измерения давления топлива перед форсункой датчиком MPX5500DP, этот датчик измеряет давление воздуха воздушной подушки специально предусмотренной в топливной магистрали.
Характеристика. Фирмой freescale опубликованы характеристики датчиков
MPX5100DP: ;
MPX5500DP: .
Таблица 2.
Параметр
|
Обозна-чение
|
Минималь-ное значение
|
Типичное значение
|
Максималь-ное значение
|
Размер-ность
|
Входное напряжение
|
UВХ
|
4,75
|
5,00
|
5,25
|
В
|
Выходное напряжение при нулевом перепаде давления
|
UВЫХmin
|
0,088
|
0,200
|
0,313
|
В
|
Погрешность измерения при 10…85 °С
|
–
|
–
|
–
|
±2,5
|
%
|
Рис. 21. Характеристики дифференциальных датчиков давления топлива перед форсункой и разрежения за дроссельной заслонкой.
Из представленных зависимостей UВЫХ от давления видно, что константа 0,04 является частным от деления выходного напряжения на входное напряжение при отсутствии перепада давления. С другой стороны в табл. 2 указан диапазон изменения выходного напряжения при нулевом перепаде при колебаниях входного напряжения в пределах ± 0,25 В.
Учитывая возможность колебания входного напряжения во время проведения экспериментов целесообразно заменить константу 0,04 функцией зависящей от входного напряжения. Методом наименьших квадратов получаем следующую функцию: , тогда для MPX5100DP и для MPX5500DP.
Теперь выразим интересующие нас зависимости измеренного давления от выходного напряжения (рис. 22) датчика MPX5100DP: и датчика MPX5500DP: .
Постоянная времени датчиков MPX5100DP и MPX5500DP при изменении давления от 10% до 90% шкалы равна 20 мс.
Измерение расхода топлива при работе двигателя с карбюраторным смесеобразованием
Рис. 22. Внешний вид датчика давления серии MPX
в корпусе 1369.
Тип: Термокомпенсированный полупроводниковый дифференциальный датчик давления MPXV5004GP с усилителем выходного сигнала (рис. 23).
Назначение: Датчик MPXV5004GP предназначен для измерения перепада давлений от 0 до 4 кПа. В измерительной системе учебной лаборатории датчик контролирует давление столба топлива в мерной емкости питающей карбюратор.
Конструкция и принцип действия самоого датчика MPXV5004GP аналогичны рассмотренным выше MPX5100DP и MPX5500DP.
Измерение расхода топлива через карбюратор осуществляется измерением падения давления столба топлива 3 (рис. 24) в измерительной трубке 2.
Наполнение измерительной трубки 2 топливом осуществляет управляемая компьютерным комплексом электромагнитная форсунка 1, питающаяся от общей топливной системы лабораторной установки.
Датчик MPXV5004GP 6, как и все датчики серии MPX предназначен для измерения давления неагрессивных газовых сред. Поэтому давление столба топлива 3 передается датчику 6 по шлангу 7 через камеру с воздушной подушкой 9, герметично закрытую колпачком 8. Камера с воздушной подушкой 9 связана с 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Рис. 23. Измерение расхода топлива через карбюратор.
измерительной трубкой 2 и топливным шлангом 4 с помощью корпуса 10.
В момент замера по команде компьютера форсунка 1 прекращает циклы долива топлива в мерную емкость 2, установленную в непосредственной близости от карбюратора на штанге 5. Подвод топлива к карбюратору обеспечивает топливный шланг 4. При работе в режиме подготовки к замеру расхода топлива форсунка 1 периодически осуществляет цикл долива топлива. Момент начала и окончания заполнения емкости 2 определяет величина столба топлива 3 контролируемая датчиком 6. По команде «замер» осуществляется долив до максимального уровня и выполняется замер расхода топлива, в течении которого форсунка остается закрытой.
Характеристика. Для датчика MPXV5004DP фирма freescale приводит следующие данные:
.
Таблица 3.
Параметр
|
Обозна-чение
|
Минималь-ное значение
|
Типичное значение
|
Максималь-ное значение
|
Размер-ность
|
Входное напряжение
|
UВХ
|
4,75
|
5,00
|
5,25
|
В
|
Выходное напряжение при нулевом перепаде давления
|
UВЫХmin
|
0,75
|
1
|
1,25
|
В
|
Погрешность измерения при колебании температуры ±5 °С от начальной температуры измерения
|
–
|
–
|
–
|
±2,5
|
%
|
Как и в случае с рассмотренными выше датчиками давления freescale, учитывая возможность колебания входного напряжения во время проведения экспериментов, целесообразно заменить второе слагаемое – константу 0,2 функцией зависящей от входного напряжения. Методом наименьших квадратов получаем искомую функцию: , тогда для MPXV5004DP.
Зависимость измеренного давления от выходного напряжения датчика MPXV5004DP (рис. 25) будет имеет вид:
.
Рис. 24. Характеристика датчика измеряющего давление столба топлива в емкости питающей карбюратор.
Чтобы определить расход топлива, через карбюратор, определив давление столба топлива 3 (рис. 24) в трубке 2, необходимо знать точное значение диаметра трубки, причем он должен быть постоянным по всей длине трубки.
В устройстве измерения расхода использованном в лабораторной установке и представленном на рис. 24 диаметр измерительной емкости равен 8 мм.
Давление, регистрируемое датчиком, создает столб топлива, воздействующий своим весом на площадь сечения трубки. Следовательно, вес топлива находящегося в трубке в данный момент можно определить по уравнению , где Р – давление столба топлива измеренное датчиком MPXV5004DP, d – внутренний диаметр трубки, а g – ускорении свободного падения равное 9,80665 .
Рис. 26. Конструкция и способ установки стержневого датчика Холла.
Рис. 25. Внешний вид стержневого датчика Холла.
Определив массу топлива в начальный конечный моменты замера, зная длительность замера, легко определить массовый расход топлива.
Определение частоты вращения и фазы открытия впускного клапана
Тип: Стержневой датчик Холла рис. 26.
Назначение: Стержневые датчики Холла, в двигателестроении, используются в качестве датчика фаз, который по положению распределительного вала, вращающегося в два раза медленнее клеенчатого вала, определяет и сообщает системе управления, при движении поршня к ВМТ, какой такт завершается – сжатие или выпуск.
В лабораторной установке стержневые датчики Холла используются для определения частоты вращения коленчатого вала, измерения фазы впуска и служат задающими сигналами для управления моментом впрыска и моментом зажигания.
Конструкция. Основа датчика Холла рис. 26 – интегральная схема Холла 6, через которую проходит магнитный поток создаваемый постоянным магнитом 5.
Стержневой датчик, выполненный в пластиковом корпусе 2, устанавливается в корпус двигателя 3 над деталью выполненной из ферромагнитного материала 7. Герметичность обеспечивает уплотнительное кольцо 4. Питание и связь датчика с компьютерным комплексом осуществляются через контакты 1.
В лабораторной установке для измерения частоты вращения стержневой датчик установлен над маховиком, выполненным из конструкционной стали, который имеет прорезь. Когда прорезь появляется под датчиком, т.е. зазор между датчиком и деталью становится больше a (рис. 26), то в соответствии с характеристикой датчика изображенной на рис. 27 на сигнальном выводе датчика появляется напряжение. Для измерения фазы открытия впускного клапана стержневой датчик размещен непосредственно над коромыслом впускного клапана.
Рис. 27. Принцип действия элемента Холла.
Принцип действия. Постоянный магнит расположенный над полупроводниковым элементом Холла генерирует магнитное поле В перпендикулярное элементу Холла рис. 28. Когда деталь из ферромагнитного материала проходит на определенном расстоянии a (рис. 26) от элемента Холла стержневого датчика, то она изменяет напряженность магнитного поля, перпендикулярного элементу Холла. В результате этого путь электронов, которые движутся за счет продольного напряжения UR, действующего на элемент Холла, отклоняются от перпендикулярного направления на угол α. За счет этого возникает сигнал напряжения Холла UH, который находится в миливольтовом диапазоне и не зависит от скорости прохождения экранирующей детали.
Характеристика. Оценивающая электронная схема, встроенная в интегральную схему Холла, вырабатывает сигнал в форме прямоугольных импульсов (высокий/низкий).
Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ)
Тип: Потенциометрический датчик угла поворота с двумя характеристическими кривыми.
Рис. 28. Внешний вид датчика положения дроссельной заслонки.
Назначение: ДПДЗ предназначен для определения угла поворота дроссельной заслонки в двигателях с искровым зажиганием. Может, помимо ДМРВ, служить в качестве дополнительного или резервного сигнала нагрузки. В случае использования ДПДЗ в качестве основного датчика нагрузки необходимая точность обеспечивается с помощью двух потенциометров для двух диапазонов угла поворота дроссельной заслонки. ДПДЗ используется для регистрации текущего положения дроссельной заслонки на различных режимах испытания.
Рис. 29. Электрическая схема датчика положения дроссельной заслонки.
Рис. 30. Характеристические кривые датчика положения дроссельной заслонки.
Конструкция и принцип работы. Рычаг движка потенциометра датчика 2 (рис. 29) соединен механически с осью дроссельной заслонки 1 и щеточными ползунами перемещающимися по соответствующим резистивным дорожкам. При этом датчик преобразует поворот дроссельной заслонки в пропорциональное ему отношение напряжений.
Для защиты от перегрузки на измерительные дорожки потенциометра напряжение подается через небольшие добавочные последовательно соединенные резисторы.
Датчик концентрации кислорода в отработавших газах
Рис. 31. Внешний вид датчика концентрации кислорода (лямбда-зонд).
Тип. Двухступенчатый обогреваемый датчик концентрации кислорода в отработавших газах (лямбда-зонд) трубчатого (пальцевого) типа LSH24.
Назначение. Данный датчик используется в бензиновых двигателях с двухступенчатым лямбда-контролем. Он располагается в выпускной трубе перед каталитическим нейтрализатором отработавших газов и определяет содержание в них кислорода. В лабораторной установке датчик концентрации кислорода используется для определения качественного состава смеси (бедная или богатая).
Рис. 32. Конструкция обогреваемого трубчатого лямбда-зонда LSH24.
Конструкция. Корпус датчика 1 (рис. 32) устанавливается во впускной патрубок таким образом, чтобы защитная труба с прорезями 4 находилась в потоке отработавших газов. Чувствительный элемент датчика 5 – твердый электролит представляет собой газонепроницаемый керамический материал и состоит из диоксида циркония и оксида иттрия. Внутренние и наружные поверхности служат электродами и имеют покрытие из пористой платины. Через контактный элемент 6 сигнал от электродов поступает на выходные контакты 3. Внутренние элементы датчика закрыты керамическими трубками 2. Пакет внутренних элементов поджимает тарельчатая пружина 10.
Особенностью датчика концентрации кислорода является необходимость поддержания температуры чувствительного элемента более 350 °С, а рабочей температуров датчика являются 600 °С. В используемом датчике, для обеспечения его нормальной работы применяется электрический нагревательный элемент 8. Напряжение на нагревательный элемент подается через зажим 9 (рис. 32).
Рис. 33. Схема работы датчика концентрации кислорода.
Принцип действия. Двухступенчатый датчик концентрации кислорода, помещенный в выпускной коллектор 5 (рис. 33), сравнивает концентрацию остаточного кислорода в отработавших газах 7 с содержанием кислорода в контрольной атмосфере 8 внутри датчика. Керамический элемент 1 служит основой и разделителем электродов 2. Причем электрод контактирующий с ОГ защищен пористым керамическим покрытием 6. При отсутствии кислорода в ОГ между контактом 3 электродов и корпусным контактом 4 возникает разность потенциалов, а при бедной смеси и соответственно наличии кислорода в ОГ напряжение между контактами 3 и 4 (рис. 33) минимально.
Рис. 34. Характеристика двухступенчатого датчика концентрации кислорода при 600° С.
Характеристика двухступенчатого датчика концентрации кислорода представлена на рис. 34, где зона a соответствует богатой смеси (недостаток воздуха), а зона b соответствует бедной смеси (избыток воздуха).
Резкое изменение характеристической кривой такого датчика позволяет стехиометрическое отношение топливовоздушной смеси.
Рис. 35. Внешний вид датчика тока фирмы Honeywell
типа CSLA1CD.
Датчик измеряющий силу тока потребляемого нагрузкой генератора
Тип. Линейный бесконтактный датчик тока на основе датчика Холла.
Назначение. Линейные датчики тока применяются для решения различных задач в области силовой электроники, которые связаны с созданием систем обратной связи в электроприводном оборудовании для управления и защиты, а также для измерения и контроля постоянного, переменного и импульсного токов в широких пределах с высокой точностью. В лабораторной установке датчик тока CSLA1CD (рис. 35) применяется для измерения переменного тока потребляемого блоком нагрузки.
Рис. 36. Схема работы датчика тока на линейном элементе Холла.
Конструкция и принцип работы. Линейные датчики тока построены на базе интегрированных линейных датчиков Холла. Датчики имеют аналоговый выход, напряжение на котором прямо пропорционально величине тока, протекающего через контролируемый проводник. При нулевом токе на выходе действует напряжение смещения, равное половине напряжения источника питания. Размах выходного напряжения и, соответственно, чувствительность линейно зависят от напряжения источника питания (пропорциональный выход, 0,25 Uпит < Uвых< 0,75Uпит). Дополнительная регулировка чувствительности производится путем увеличения числа витков проводника вокруг кольца магнитопровода датчика.
Датчик CSLA1CD с высокой точность измеряет мгновенные значения тока в цепи. Соответственно при измерении переменного тока, как в случае с используемыми в составе лабораторной установки генератором и блоком нагрузки, полученные с датчика CSLA1CD экспериментальные данные не будут напрямую отражать силу тока, а будут соответствовать реальным колебаниям переменного тока.
Для получения величины силы тока необходимо определять среднеквадратическое значение за интересующий промежуток времени.
В измерительной системе учебной лаборатории компьютерный комплекс обеспечивает определение среднеквадратического значения и по нему определяется сила тока в интересующий момент времени.
Измерение величины электрического напряжения вырабатываемого генератором
Тип. Делитель напряжения.
Назначение. Преобразование напряжения вырабатываемого генератором в напряжение уровня менее 10 В, для измерения средствами компьютерного комплекса. Дополнительно схема делителя напряжения служит защитой от пробоя высокого напряжения на измерительные платы.
Конструкция и принцип работы. На контакты 1 и 2 схемы приходит знакопеременное напряжение генератора. Диодным мостом оно преобразуется в напряжение того же уровня, что и входное, но изменяющееся только в положительной области. Далее с помощью оптрона, состоящего из свето и фото диодов, оно преобразуется второй частью схемы в напряжение, изменяющееся только в положительной области в диапазоне 0…9 В. Этот сигнал передается через контакт 3 на измерительный канал компьютерного комплекса. Контакт 4 служит для заземления второй части схемы, а контакт 5 для ее питания напряжением +12 В.
~310 В
~310 В
R 16…20 кОм
I ↓
+
–
R 9,88 кОм
3
R 610 Ом
2
1
4
5
9 В
Рис. 37. Электрическая схема делителя напряжения.
|