:: Home ::

UIS / UPS

Indice del curso

 

Sensores

Sin sensores es casi imposible realizar la gran cantidad de funciones de monitoreo y control en sistemas modernos de gestión del motor, sistemas de seguridad y confort (ASR, ABS, airbag, ajuste del cinturón de seguridad, aire acondicionado, etc.), temas muy actuales del sector automovilístico. Los sensores se usan para registrar de manera precisa los estados reales del motor en funcionamiento, tales como la presión de aceite del motor, la temperatura del motor o el número de revoluciones

Los sensores y transductores detectan los valores de servicio (como ejemplo: el numero de revoluciones del motor) y valores teóricos (como ejemplo: la posición del pedal del acelerador). Los sensores y transmisores transforman valores físicos como numero de revoluciones, valores de temperatura y de presión en señales eléctricas entendibles por las unidades de control. Una característica importante de los sensores es su exactitud en las mediciones así como su rapidez de respuesta.
Los sensores y transductores son el intermediario que hay entre los distintos elementos del vehículo como son los sistemas de frenado, el motor, estabilidad dinámica, etc y las unidades de control que son el cerebro del sistema. Por regla general hay en el sensor un circuito de adaptación que convierte las señales del sensor en una señal entendible por la unidad de control.
Los sensores suelen estar montados en lugares escondidos del motor o vehículo, sin ser vistos fácilmente debido a sus dimensiones cada vez menores. Ademas se comprueba hoy en día una tendencia encaminada a colocar los sensores en los módulos, para dar mayor valor al componente mediante su función sensorial, reduciendose así el coste total. Unos ejemplos de ello son el moduló del pedal del acelerador con sensor de valor de posición de pedal integrado, el modulo estanqueizante de cigüeñal son sensor de revoluciones integrado o el modulo de aspiración con medidor de masa de aire de película caliente.
Cada vez se exige mas que los sensores cumplan con unas determinadas características de exactitud ya que sus señales de salida influyen directamente en la potencia y el par motor, en las emisiones y en el comportamiento de marcha así como en la seguridad del vehículo. Para cumplir con estas exigencias de tolerancia, los sensores del futuro se vuelven "mas inteligentes", o sea que se les integran, en su electrónica, algoritmos de evaluación (procesos de calculo), funciones de calculo mas refinadas de calibración y autocalibración siempre que resulta posible.

Sensores EDC
A continuación se describen los sensores utilizados en actualmente para el control del motor Diesel.
Pero adelantandonos al futuro podemos decir que se integraran en el sistema EDC sensores nuevos que ayudaran a:

Estos van a ser sensores de gases de escape, entre ellos también la sonda Lambda del motor de gasolina así como sensores de la presión y temperatura de los gases de escape.

 

Sensores de temperatura PTC y NTC
Los sensores de temperatura se aplican en varios lugares:

 

Sensor de temperatura del motor
Esta montado en el circuito del liquido refrigerante, con el fin de determinar la temperatura del motor a partir de la temperatura del liquido refrigerante, Así es posible que el control del motor se adapte exactamente a la temperatura del servicio del motor. El margen de temperaturas se sitúa en -40....+130 ºC.

Sensor de temperatura de aire
Esta montado en el conductor de admisión. Al tenerse en cuenta la temperatura del aire se admisión es posible determinar con exactitud, en combinación con un sensor de presión de sobrealimentación, la masa de aire de aspirada. Ademas de ello se pueden adaptar los valores teóricos para los circuitos reguladores a la temperatura del aire (como ejemplo: retroalimentación de gases de escape, regulación de la presión de sobrealimentación). El margen de temperaturas se sitúa en -40ºC.......+120 ºC.

Sensor de temperatura del aceite del motor
La señal del sensor de temperatura del aceite del motor se emplea para calcular los intervalos de servicio. El margen de temperaturas se sitúa en -40 .....+170 ºC.

Sensor de temperatura del combustible
Este esta montado en la parte de baja presión. Al tenerse en cuenta la temperatura del combustible se puede calcular con exactitud que caudal de combustible se necesita. El margen de temperaturas se sitúa en -40......+120 ºC.

Estructura y funcionamiento
Los sensores de temperatura se ofrecen en diversas formas constructivas, según el campo de aplicación previsto. En un cuerpo esta montada una resistencia de medición dependiente de la temperatura. Esta cuenta con un coeficiente de temperatura negativo o positivo (NTC: Negative Temperature Coeficient; PTC: Positive Temperature Coeficient); o sea que su resistencia eléctrica disminuye o aumenta al subir la temperatura.
La resistencia de medición forma parte de un circuito divisor de tensión que es abastecido con 5 V. La tensión que se mide en esta resistencia es, por tanto; dependiente de la temperatura. La misma se inscribe en un convertidor analogico-digital y representa una medida de la temperatura en el sensor. En la unidad de control del motor esta almacenada en memoria una curva característica que indica la temperatura correspondiente a cada valor de tensión.

 

Sensores inductivos de revoluciones y ángulo de giro
Los sensores de revoluciones se aplican para la detección:

Mediante la frecuencia de las señales del sensor de revoluciones se calcula el numero de revoluciones. La señal del sensor de revoluciones es una de las magnitudes mas importantes del control electrónico del motor.

Estructura y funcionamiento
El sensor se monta directamente al frente de una rueda transmisora ferromagnética también llamada "rueda fónica", El imán junto con la bobina crean un campo magnético que penetra entre los dientes de la rueda fónica. El flujo magnético a través de la bobina depende de si delante del sensor se encuentra un hueco o un diente de la rueda fónica. Un diente concentra el flujo de dispersión del imán. Se produce una intensificación del flujo útil a través de la bobina. Un hueco, en cambio, debilita este flujo magnético. Si la rueda transmisora esta girando, estos cambios del flujo magnético inducen en la bobina una tensión de salida sinusoide, proporcional a la velocidad de cambio de diente-hueco.
La amplitud de la tensión alterna crece fuertemente al aumentar el numero de revoluciones, mínimo de 30 vueltas por minuto.
El numero de los dientes de la rueda fónica depende de la aplicación que se le de al sensor de revoluciones. En los sistemas modernos de gestión de motores se utilizan generalmente ruedas transmisoras con división de 60, habiendose saltado 2 dientes. Quiere decir que la rueda fónica tiene 60 - 2 = 58 dientes. El hueco entre dientes especialmente grande es una marca de referencia y esta en correspondencia con una posición definida del cigüeñal. Este hueco entre dientes suele corresponder con una posición definida del cigüeñal para el cilindro "1". Sirve para la sincronización de la unidad de control.
El diente y la geometría polar tienen que estar adaptados entre si: El circuito evaluador en la unidad de control convierte la señal sinusoidal de amplitud muy variable a una tensión rectangular con amplitud constante. Esta señal es evaluada en el microprocesador de la unidad de control.

 

Transmisor de fase de Hall
La posición del árbol de levas determina si un pistón del motor se mueve hacia el PMS (punto muerto superior) se encuentra en el tiempo de compresión o en el tiempo de escape. Esta información no puede obtenerse durante el proceso de arranque a partir de la posición del cigüeñal y su sensor inductivo. Por el contrario, durante el servicio de marcha, la información generada por el sensor del cigüeñal es suficiente para determinar la posición del motor.
El transmisor de fase montado en el árbol de levas suministra la posición del árbol de levas a la unidad de control.

Estructura y funcionamiento
En el árbol de levas están montados dientes de material ferromagnético. Cuando un diente pasa por el elemento sensor atravesado por corriente (plaquita semiconductora) del transmisor de fase, su campo magnético orienta los electrones en las plaquitas semiconductoras, perpendicularmente a la dirección de paso de la corriente. Se forma así una señal de tensión (tensión Hall), que comunica a la unidad de control, en el tiempo de trabajo se encuentra en este momento el primer cilindro. La señal de salida es del orden de milivoltios e independiente de la velocidad relativa entre el sensor y la rueda transmisora. La señal se prepara y emite por el sistema electrónico evaluador integrado.
Una característica esencial del sensor Hall es que necesita ser alimentado por una tensión, mientras que el sensor inductivo estudiado anteriormente no necesita ser alimentado por tensión ya que genera el la tensión como si fuera un generador. Para distinguir un sensor Hall de un sensor inductivo nos fijamos en el numero de cables que llegan a cada uno, en el sensor Hall llegaran 3 cables mientras que en el inductivo solo llegan 2 cables.

Principio Hall diferencial
Aparte de los sensores Hall sencillos se aplican también elementos Hall diferenciales, Estos constan de dos elementos Hall desfasados entre si. Estos suministran una señal de salida que es proporcional a la diferencia de la densidad de flujo entre los dos lugares de medición. Las ventajas de la evaluación diferencial son un amplio margen de los entrehierros y una buena compensación de temperaturas. Los inconvenientes consisten en la dependencia de la posición de montaje y en la necesidad de una rueda transmisora de dos pistas para generar una señal en ambos elementos Hall.

 

Sensores del pedal del acelerador
En el moderno control electrónico del motor, el deseo del conductor (por ejemplo: aceleración, marcha constante, deceleración, etc.) ya no se comunica mas al control del motor a través de un cable de tracción o varillaje. Un sensor del pedal acelerador (llamado también transmisor del valor del pedal, PWG) detecta la posición del pedal y la transmite a la unidad de control.

Estructura y funcionamiento
El componente esencial es un potenciometro (resistencia eléctrica variable). Dependiendo de la posición del pedal acelerador surge en este una tensión. Conforme a una linea característica programada en la unidad de control se calcula la posición del pedal acelerador a partir de esta tensión. Para fines de diagnostico y en su caso para la representación de una función sustitutiva se tiene integrado un redundante (doble). Se diferencia entre dos versiones
Conmutador de ralentí y kickdown
El conmutador de ralentí cambia su estado, en caso de recorridos pequeños del pedal, de "señal de margen de ralentí" a "señal de margen de plena carga". Para los vehículos con cambio automático es posible, en esta variante, que un conmutador adicional genere una señal kickdown.

Segundo potenciómetro
Un segundo potenciometro redundante suministra en todos los puntos de servicio siempre la media tensión del primer potenciometro
Los sensores de pedal acelerador se montan como sensores individuales o como módulos completos. En el caso de modelos no se requieren, en el vehículo, trabajos de ajuste entre la posición del pedal y el sensor.

 

Medidor de masa de aire de película caliente
Para poder cumplir los valores de gases de escape establecidos y exigidos legalmente, es necesario, especialmente en el servicio dinámico del motor de combustión, un cumplimento exacto de la relación pretendida de aire-combustible. Para ello se requieren sensores que registren con gran precisión el flujo de aire aspirado realmente. La exactitud de medición del sensor de carga no debe estar influida por pulsaciones, reflujos, retroalimentación de gases de escape y un control variable del árbol de levas, ni tampoco por modificaciones de la temperatura del aire aspirado. El sensor que cumple con todas estas características es el medidor de masa de aire de película caliente HFM5.

Estructura
El medidor de masa de aire de película caliente esta integrado en un tubo de medición que cuenta con diámetros diferentes según la masa de aire que necesita el motor (desde 370 .....970 kg/h). Está montado detrás del filtro de aire en el tramo de admisión. También son posibles versiones que se montan como sensor insertable en el filtro de aire.
Los componentes del elemento sensor están metalizados por evaporación sobre un sustrato semiconductor, y los del sistema electrónico evaluador sobre un substrato cerámico. De este modo es posible un tamaño pequeño. El aire fluye, sobre un canal bypass, a lo largo del elemento sensor. La configuración del canal bypass mejora el comportamiento del sensor en caso de flujos de fuertes pulsaciones. También se reconocen los flujos de retroceso. El medidor de masa de aire de película caliente comunica con la unidad de control a través de una conexión eléctrica

Funcionamiento
El medidor de masa de aire de película caliente es un "sensor térmico". Trabaja según el siguiente principio:
En el elemento sensor (3) se calienta una membrana sensora micromecánica (5) mediante una resistencia calefactora en disposición central. Fuera de esta zona de calefacción (4) la temperatura disminuye a ambos costados.
La distribución de la temperatura sobre la membrana es registrada por dos resistencias dependientes de la temperatura que están montadas simétricamente con respecto a la resistencia calefactora flujo arriba y flujo abajo sobre al membrana (puntos de medición M1 y M2). Al no haber afluencia de flujo de aire tenemos una caída de temperatura igual a ambos lados (1).
Si el aire fluye sobre el elemento sensor cambiara la distribución de temperatura sobre la membrana (2). en el lado de aspiración tendremos una caída de temperatura mas pronunciada, por cuanto el flujo de aire enfriara esta parte. En el lado opuesto, orientado hacia el motor, se enfriara primero el elemento sensor. Ahora bien, posteriormente el aire calentado por el elemento calefactor calentara el elemento sensor. La modificación de la distribución de temperatura (incremento de T) desemboca en una diferencia de temperatura entre los puntos de medición M1 y M2.
El calor cedido al aire, y con ello la caída de temperatura en el elemento sensor, depende de la masa de aire que va pasando. La diferencia de temperatura es, independiente de la temperatura absoluta del aire que va pasando, una medida representativa de la masa del flujo de aire. La diferencia de temperatura es, además, dependiente de la dirección, de modo que el elemento medidor puede registrar tanto la magnitud como la dirección de un flujo de masa de aire.
Debido a la membrana micromecánica sumamente fina, el sensor cuenta con una dinámica de respuesta sumamente alta (< 15ms). Esto es importante, especialmente en caso de flujos de aire con fuertes pulsaciones.
La diferencia de resistencia en los puntos de medición M1 y M2 es convertida en una señal de tensión análoga entre: 0 ....5 V, adaptada para la unidad de control, por un sistema electrónico evaluador (circuito híbrido) integrado en el sensor. Con la ayuda de una curva característica de sensor (como se ve en la figura) programada en la unidad de control, la tensión medida es convertida a un valor para el flujo de masa de aire (kg/h). La curva característica esta diseñada de tal forma que el diagnostico integrado en la unidad de control pueda reconocer averías como por ejemplo: una interrupción de linea.
En el HFM5 puede estar integrado un sensor de temperatura para evaluaciones adicionales. Este se encuentra en el cuerpo de plástico. No se necesita para la determinación de la masa de aire.

 

 

Sensores de presión micromecánicos

Estructura de los sensores de presión
El componente esencial del sensor de presión micromecánico es el elemento sensor con la "célula de sensor". Ella consta de un chip de silicio (2) micromecánico que lleva grabada una membrana delgada (1). Sobre la membrana hay dispuestas cuatro resistencias de medición (R1, R2), cuya resistencia eléctrica varia bajo tensión mecánica.
En el sensor de presión puede estar integrado adicionalmente un sensor de temperatura que se puede evaluar independientemente. Esto significa que hay que montar solamente un sensor para medir la temperatura y la presión.

Funcionamiento
Según cual sea la magnitud de la presión se curva de manera distinta la membrana de la célula del sensor (pocos micrómetros). Las cuatro resistencias de medición sobre la membrana modifican su resistencia eléctrica bajo las tensiones mecánicas producidas (efecto piezorresistivo).

Las resistencias de medición (R1, R2) están dispuestas sobre el chip de silicio (2) de tal forma que al deformarse la membrana (1) aumenta la resistencia de dos de las resistencias de medición, a la vez que disminuye la misma en las dos restantes. Las resistencias de medición están dispuestas en un "puente Wheatstone". Debido al cambio de las resistencias se va modificando también la relación de las tensiones eléctricas en las resistencias de medición. Debido a ello se modifica la tensión de medición (UA). La tensión de medición es, pues, una medida para la presión en la membrana.
Mediante el puente resulta una tensión de medición mas alta que al evaluarse solamente una resistencia individual. El "puente Wheatstone" permite obtener así una alta sensibilidad.
El lado de la membrana que no queda sometida a la presión de medición se encuentra expuesto a un vació de referencia (3), de modo que el sensor mide el valor absoluto de la presión.
El sistema electrónico evaluador completo esta integrado en el chip y tiene la misión de amplificar la tensión de puente, de compensar influencias de temperatura y de linealizar la curva característica de presión. La tensión de salida es del orden de 0 ....5 V y se suministra a la unidad de control de motor a través de conexiones eléctricas. Mediante una curva característica programada se calcula la presión.


 

Evolución de los sensores
La evolución de los sensores viene dada por la mayor integración de funciones en estos elementos que facilita y ayuda a la unidad de control en sus cometidos, limitando sus funciones ya que los sensores aparte de hacer la medición de los distintos parámetros del motor, preparan la señal para que esta sea entendible por la unidad de control sin necesidad de circuitos intermediarios que adapten la señal del sensor a otra señal que sea reconocida por la unidad de control. Debido a la microtécnica moderna, los sensores son cada vez mas pequeños, rápidos y exactos. En el futuro la preparación de señales, la conversión analogico-digital, e incluso un pequeño microprocesador para el procesamiento ulterior de las señales, van a estar integradas ya en el sensor, conforme a su grado de integración. Esto tiene las ventajas siguientes:

 

 

 

© 2014 Aficionados a la Mecánica. Pagina creada por Dani meganeboy.