Snímače automobilů

Hlavní snímače automobilů. Princip jejich činnosti, vlastnosti a použití.

Indukční snímač

Jedná se o jeden z nejdůležitějších nepominutelných snímačů na motoru (pokud není nahrazen Hallovým snímačem). Jeho činnost je založená na principu elektromagnetické indukce, ke které dochází při změně magnetického toku v důsledku změny magnetického odporu v magnetickém obvodu.

Hlavní části:

1. Permanentní magnet
2. Železné jádro
3. Cívka
4. Konektor
5. Tělo snímače

Činnost:

Magnetický obvod je tvořen zdrojem (permanentním magnetem), dobrým vodičem (železným jádrem), magnetickým odporem (vzduchovou mezerou) a dobrým magnetickým vodičem (kostra těla snímače).

Část magnetického obvodu je ovlivněná řídícím ozubeným kolem, které je nasazené na klikovém nebo jiném hřídeli).  Díky tomu, že vzduch má cca. 3000x horší magnetickou vodivost než technická ocel, je magnetický tok permanentního magnetu výrazně ovlivněný v závislosti na pozici zubu a vzduchové mezery.

Ve chvíli, kdy je pod snímačem zub, dojde ke vzrůstu magnetického toku a rozšíření magnetických siločár. Když dojde k přemístění zubové mezery pod snímač, magnetický tok poklesne a siločáry se stáhnou.

Díky tomu, že siločáry narůstají a stahují se, protínají závity cívky a indukují v nich elektrický proud, který se svými účinky snaží zabránit změně, která jej vyvolala. Když se zub přibližuje ke snímači, elektrický proud zesiluje. Při oddálení proud zeslabuje. Výsledkem jsou pulzy o sinusovém průběhu.

Abychom ze sinusového signálu dokázali určit polohu hřídele, je na ozubeném kole vynechaný zub – referenční bod. Když se referenční bod dostane do pozice snímače, zvětší se doba po kterou narůstá magnetické pole kolem cívky, následně při jeho přerušení dojde ke vzniku vyššího napětí.

Např. ozubené kolo je rozdělené po 6° = 60 zubů. 1 zub je referenční bod, proto bude mít ozubené kolo pouze 59 zubů.

Jelikož číslicové obvody nedokáží spolehlivě pracovat se sinusovým signálem, je tento signál převeden v řídící jednotce na TTL signál pomocí tvarovacího (Schmidtova) obvodu.

Prostor mezi zubem a snímačem bývá většinou v rozmezí 0,8 až 1,5 mm a její velikost výrazně ovlivňuje amplitudu signálu.

Nevýhodou výstupního signálu je jeho značné kolísání napětí s otáčkami, tudíž minimální použitelný signál je při cca. 30 ot/min. Naopak ve vysokých rychlostech může signál dosahovat hodnot až přes 100 V, což je pro elektroniku těžko zpracovatelné.

Použití:

S indukčními snímači se často můžeme setkat také u systémů ABS. V tomto případě je snímač upevněn u kola vozidla a jeho signál je tvořen rotací ozubeného nebo děrovaného kotouče, sledujícího pohyb kola po vozovce. Signálem je nepřerušovaná sinusovka. Až ve chvíli, kdy signál klesne na hodnotu nula, zaregistruje řídicí jednotka ABS zablokovaný stav kola a dá pokyn k uvolnění tlaku v dané části brzdové soustavy. Tím dojde k opětovnému roztočení kola a signál se obnoví. Signální kola ABS jsou nejčastěji namontována v blízkosti brzdového kotouče nebo v bubnu brzd.

Hallův snímač

Patří mezi nejdůležitější snímače automobilů na vozidle. Pracuje na principu pohybu vodiče v magnetickém poli, přičemž vodičem je v tomto případě proud elektronů. Základem je krystal polovodiče (Arsenid gallitý – GaAs nebo Antimonid india – InSb) ve kterém se silové působení projevuje zvlášť zřetelně.

Hlavní části:

1. Krystal polovodiče (GaAs, InSb)
2. Permanentní magnet
3. Přívodní elektrody
4. Výstupní elektroda
5. Těla snímače a magnetický obvod (clona – není však již součástí snímače)

Činnost:

Pokud je ostíněno clonou magnetické pole, chová se polovodič GaAs jako běžný rezistor a proud je vedený od + pólu ke kostře přímo. Pokud ale prochází magnetické pole polovodičem GaAs, proud elektronů se chová jako vodič a dojde k jeho vychýlení podle Flemingova pravidla levé ruky k výstupní elektrodě. (…)

Flemingovo pravidlo levé ruky

Položíme-li levou ruku do magnetického pole tak, aby siločáry vstupovali do dlaně a prsty ukazovaly směr proudu, vychýlí se vodič na stranu palce.

(…) Tak se na výstupní elektrodě projeví tzv. Hallovo napětí. Jak bude výřez ve cloně odhalovat krystal GaAs, bude postupně narůstat Hallův proud (potažmo i napětí, a to od minimální hodnoty až po maximální, díky čemuž bude mít analogový průběh, který připomíná tvarem poloviční sinusovku.

Použití:

Hallův snímač se vyrábí ve dvou variantách:

• První, která se používá pro přerušení primárního proudu u zapalování a pro číslicové obvody, které nejsou schopné s analogovým signálem pracovat, se vyrábí jako integrovaný snímač tak, že má v sobě zabudovaný Schmidtův tvarovací obvod (klopný obvod). V tomto případě má výstupní signál tvar TTL (pravoúhlý průběh jen jedné polarity).

• Druhá varianta se používá jako snímač úhlů. Toto provedení v sobě nemá zabudovaný Schmidtův obvod a výstupní signál je analogový.

Teplotní snímač

Původně pracoval na principu změny odporu vodiče v závislosti na změně teploty. Z důvodu malé výraznosti změny odporu, začali být místo nich používané polovodičové rezistory (tzv. termistory).

Termistory jsou polovodiče, jejichž odpor se výrazně mění v závislosti na teplotě. Jsou zařazené do obvodu a v závislosti na změně jejich odporu, dochází ke změně napětí. Toto napětí je následně digitalizované řídící jednotkou v analogově-digitálním převodníku na údaj o teplotě. Teplotní snímač se umisťuje přímo do měřeného prostředí (voda, olej,…).

Snímač hmotnosti nasávaného vzduchu

Tyto snímače automobilů pracují na principu Wheatstonova měřícího můstku, kdy je jeden z rezistorů ochlazován proudem nasávaného vzduchu, s tím rozdílem, že místo galvanometru je připojen rozdílový operační zesilovač, který má za úkol porovnávat rozdíly napětí v jednotlivých větvích obvodu a vydává pokyn k vyrovnávání můstku.

Hlavní části:

1. Měřený rezistor (žhavený drát nebo film)
2. Kompenzační rezistor
3. Vyrovnávací odpory
4. Měřící odpor
5. Tělo snímače
6. Ochranná síťka

Činnost:

Ve snímači se nacházejí 4 rezistory, které vytvářejí Wheatstoneův měřící můstek a jejichž uspořádání je důležité, protože v zimě je teplota nasávaného vzduchu klidně až -30°C a v létě může vyšplhat bez problémů až k 30°C. Koeficient změny odporu drátu je navíc tak malý, že by jej bylo možné zaměnit za vliv teploty. Jen jeden rezistor je však umístěn do proudu nasávaného vzduchu, takže na všechny rezistory působí stejná teplota, ale jen ten ochlazovaný se liší teplotou, která mu byla odebrána proudícím vzduchem.

Procházející vzduch odnímá teplo měřenému rezistoru a tím klesá jeho teplota a odpor. Díky tomu můstek nerozváží napětí na jednotlivých větvích obvodu a vznikne rozdíl napětí na operačním zesilovači.

Můstek následně začne do měřeného rezistoru propouštět rozdíl proudů a díky tomu se začne rezistor přežhavovat. Díky tomu dojde k nárůstu teploty měřeného rezistoru, zároveň s tím roste i jeho odpor a dojde k opětovnému vyvážení můstku. Tento proces se neustále opakuje podle aktuálního stavu na měřeném rezistoru a proud, který prochází přes měřící rezistor vytváří napětí, které je následně digitalizované řídící jednotkou a použité pro výpočet hmotnosti nasávaného vzduchu.

Snímač se také vyrábí jako snímač se žhaveným drátem.

Rozdíl je v tom, že nasávaný vzduch prochází přes rezistor R1, dále přes žhavenou zónu (žhavicí rezistor) na rezistor R2. Vzduch na rezistoru R2 je teplejší a snímač měří nasávaný vzduch, který se po nárazu na uzavírající se sací ventil odrazí a vrací se zpět k čističi. Tento vzduch ale proudí kolem rezistoru R2 a přes žhavenou zónu se dostává na rezistor R1. V tuto chvíli je ale vzduch přivedený na rezistor R2 chladnější a tento odražený vzduch snímač neměří. Měření probíhá tak, že ohřátý vzduch na rezistorech zvýší jejich teplotu a zároveň i odpor. Tak se rozváží Wheatstoneův můstek. Tím se na výstupu objeví napětí, které je sejmuto operačním zesilovačem, který ho zesílí a tímto proudem je žhavena vyhřívaná zóna. Tento proud následně prochází přes měřící rezistor a z měřeného napětí je následně předávána informace o hmotnosti nasávaného vzduchu řídící jednotce.

Snímač tlaku nasávaného vzduchu

Tento snímač pracuje na principu Wheatstonova měřícího můstku, kde jsou klasické rezistory nahrazené piezorezistory (rezistory, které mění odpor v závislosti na mechanickém napětí).

Hlavní části:

1. Pouzdro snímače
2. Membrána se čtyřmi piezorezistory
3. Referenční vakuum
4. Elektronický obvod

Činnost:

Do komůrky, kde je pod membránou uzavřeno referenční vakuum, je přiváděn podtlak ze sacího potrubí. Podle tohoto podtlaku je rozpínáno referenční vakuum, které napíná membránu s piezorezistory.

Piezorezistory jsou v membráně rozmístěné tak, že dva se nacházejí v místě, kde je membrána přilepená k podložce, díky čemuž nedochází k deformování způsobenému tlakem. Působí na ně pouze stejná teplota jako na rezistory, které leží uprostřed membrány. Ta je v závislosti na změně podtlaku napínána, díky čemuž mění tyto piezorezistory svůj odpor. Tím dojde k vytvoření nerovnováhy napětí na větvích můstku, který je napájen z elektronického obvodu. V závislosti na odporu dvou napínaných rezistorů dojde na Wheatstoneově mostku k vytvoření napětí, které je úměrné podtlaku v sacím potrubí. Elektronický obvod poté tuto informaci ve formě napětí (někdy i přímo ve formě číslice) předává řídící jednotce.

V případech, kdy není motor vybaven snímačem hmotnosti nasávaného vzduchu, mohou informace ze snímače tlaku nasávaného vzduchu sloužit i jako údaj o hmotnosti nasávaného vzduchu. Tato informace se dá dopočítat ze stavové rovnice plynu.

Snímač tlaku v palivovém systému

Konstrukčně  je podobný se snímačem tlaku nasávaného vzduchu, akorát místo referenčního vakua je v tomto případě přiváděn tlak z tlakového zásobníku.

Zdroj: Ing. Štěpánek, Jaromír. Skripta pro předmět autoelektrika. České Budějovice: Vyšší odborná škola, Střední průmyslová škola automobilní a technická, 2019.

Snímač klepání motoru

Slouží k hlídání rychlosti hoření směsi ve válcích, aby nedocházelo k detonačnímu hoření. Tento snímač pracuje na principu rezonančních kmitů, uvnitř snímače je rezonanční obvod, který je tvořen seismickým tělískem a talířovou pružinou.

Hlavní části:

1. Těleso snímače
2. Piezokrystal s elektrodami
3. Konektor
4. Seismické tělísko
5. Talířová pružina
6. Keramická vložka

Činnost:

Snímač je upevněn šroubem skrze keramickou vložku k bloku motoru a díky tomu vykonává stejné kmity jako blok. Uvnitř snímače se nachází piezokrystal, na který volně dosedá seismické tělísko, které je přitlačování talířovou pružinou. Hmotnost tělíska spolu s tuhostí pružiny vytvářejí rezonanční obvod, který má vlastní kmity odpovídající kmitům bloku motoru během detonačního hoření.

Během chodu motoru se seismické tělísko chvěje a tlačí na piezokrystal, který posílá do řídící jednotky napětí úměrné stlačování. Protože ale rezonanční obvod nekmitá vlastními kmity, je toto stlačování malé a díky tomu je malé i napětí na piezokrystalu,

Dojde-li však k detonačnímu hoření, rozkmitá se rezonační obvod na vlastních kmitech a ke stlačování krystalu dochází větší silou, s tím roste i napětí na něm. Toto napětí je následně předáno do řídící jednotky, která na základě něj sníží předstih, aby zabránila detonačnímu hoření. Tím dojde ke snížení kmitl obvodu a napětí na krystalu opět poklesne.

Kyslíkový snímač (lambda sonda)

Používá se ke zjištění zbylého množství kyslíku ve spalinách. Funguje na principu galvanického článku (tzv. Nernstovy lampy), který je tvořený dvěma platinovými elektrodami a elektrolytem ZrO2 zahřátým na teplotu okolo 350°C. Tento článek vysílá podle rozdílu kyslíku na elektrodách napětí v rozsahu 200mV až 1000mV – funguje tedy jako zdroj elektrického napětí.

Lambda sonda se umisťuje do výfukové potrubí. Můžeme se setkat s jednou sondou za katalyzátorem a nebo se dvěma – jednou před a druhou za katalyzátorem.

Hlavní části:

1. Tělo sondy se závitem a těsněním)
2. Rezistor (topné těleso)
3. Vnitřní platinová elektroda
4. Vnější platinová elektroda
5. Vložka ZrO2
6. Vnější ochranné pouzdro

Činnost:

Snímač je zabudován ve výfukovém potrubí, kde zasahuje vnější platinová elektroda do spalin. Aby nedošlo k poškození nespálenými zbytky paliva, je chráněna ochranným pouzdrem s otvory, přes které projdou pouze plynné částice. Pod vložkou ZrO2 se nachází vnitřní platinová elektroda, která je v kontaktu s atmosférickým vzduchem (21% O2).

Vložka i obě platinové elektrody jsou vyhřívané topným tělesem a proudícími výfukovými plyny. Výfukové plyny obsahují rozdílné množství O2 v závislosti na výsledku spalování, proto sonda v závislosti na množství O2 vysílá rozdílné napětí do řídící jednotky. Při chudé směsi je napětí nízké, při bohaté vysoké. Napětí tvořící průběh signálu ze snímače se vztahuje ke směšovacímu poměru λ=1. Výsledkem je signál buďto k ochuzení nebo obohacení směsi. Na základě tohoto signálu řídící jednotka upraví množství vstřikovaného paliva. Tento princip činnosti využívá dvoubodová sonda (stav kolísá mezi chudou a bohatou směsí).

Širokopásmová lambda sonda

Širokopásmová lambda sonda představuje složitý elektronický obvod, který je samostatným regulačním obvodem.

Oproti dvoubodové lambda sondě tato sonda nerozeznává pouze stavy chudá / bohatá směs, ale sleduje také přesné množství kyslíku ve spalinách.

Vnitřním obvodem si přičerpává elektrický náboj a tak reguluje složení výfukových plynů, podle okamžitého množství kyslíku ve spalinách.