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Sensores en el automóvil

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Medidores de caudal

Magnitudes de medición
La función de medir caudales se utiliza en el automóvil sólo en dos sectores principales:

Medición del caudal de combustible
Los sistemas de inyección de mando electrónico efectúan la dosificación precisa de la cantidad de combustible requerida por el motor de combustión interna partiendo de parámetros bien definidos, tales como duración de inyección, posición del dispositivo de dosificación, presión de inyección, temperatura del combustible, etc. La dosificación puede efectuarse de modo continuo o intermitente, e incluso sin medición especial del caudal. Con la llegada de la gestión electrónica para la alimentación de motores, no es necesario la medición del caudal de combustible ya que la electrónica ya se encarga de dosificarlo correctamente.

Medición caudal de aire

El término "cantidad de aire" frecuentemente usado no precisa si se trata de un volumen o de una masa. Pero como el proceso químico de la combustión se basa terminantemente en relaciones de masa, el objetivo explícito de la medición lo constituye la "masa de aire" de admisión o de sobrealimentación. El flujo de masa de aire es, por lo menos en los motores de gasolina, el parámetro de carga más importante. Los sensores que miden una cantidad o en general un flujo gaseoso se llaman también "anemómetros" y "caudalimetros".
El flujo de masa de aire máximo a medir está comprendido, por término medio, entre 400 y 1200 kg/h, según la potencia del motor. Por razón de la baja demanda de aire en ralentí de los motores modernos, la relación entre los caudales mínimo y máximo es de 1:90 a 1:100. Las severas exigencias impuestas a causa de las emisiones de gases de escape y del consumo obligan a alcanzar exactitudes del 1 al 2% del valor de medido.
El motor no recibe el aire en forma de corriente continua, sino al ritmo de los tiempos de apertura de las válvulas de admisión. Y así ocurre que la corriente de masa de aire sea afectada entonces por fuertes pulsaciones (particularmente si la mariposa está ampliamente abierta) en el punto de medición que se encuentra siempre en el tramo de admisión entre el filtro de aire y la mariposa. A causa de resonancias que se generan en el tubo de admisión, la pulsación es a veces tan fuerte que incluso se producen por breve tiempo reflujos del aire. Este fenómeno aparece sobre todo en motores de cuatro cilindros, en los que no se solapan las fases de admisión y de carga. Un medidor de caudal exacto ha de detectar el sentido de esos reflujos del aire.

Como ejemplos de medidores de caudal de aire tenemos de la marca BOSCH los siguientes:

 

Sonda volumétrica de aire por plato sonda LMM
Aplicación
La sonda volumétrica de aire de presión dinámica LMM es utilizada todavía en numerosos motores de gasolina equipados con determinadas versiones de un sistema de inyección, modelos L-Jetronic o M-Motronic. Se encuentra entre el filtro de aire y la mariposa (figura inferior). Tiene la función de detectar el flujo volúmico de aire Q aspirado por el motor, a fin de determinar la carga según el principio de la presión dinámica.


Estructura y funcionamiento
El plato sonda móvil de la sonda volumétrica de aire (figura inferior, pos. 4) desempeña el papel de un diafragma variable. El flujo del aire de admisión QL desplaza el plato sonda contra la fuerza constante de un muelle antagonista, de manera que la sección de paso libre se vuelve mayor a medida que aumenta el volumen de aire.
La variación de la sección de paso libre de la sonda volumétrica de aire en función de la posición del plato sonda se ha elegido de manera que obtuviera una relación logarítmica entre el ángulo del plato y el volumen de aire aspirado. Eso ha dado por resultado una gran sensibilidad de la sonda volumétrica de aire para pequeños caudales de aire que exigen una alta precisión de medición. La precisión requerida es de un 1 a un 3 % del valor de medición a lo largo de un campo de Qmax : Qmin = 100 : 1.

Un potenciómetro cuyo cursor (6) toma la posición angular del plato sonda y la convierte en una tensión de salida UA, que es transmitida a la unidad de control. A fin de que el envejecimiento y la derivación térmica del potenciómetro no influyan en la precisión, la unidad de control evalúa solamente relaciones de resistencia.
Otro efecto que hay que tener en cuenta procede de las carreras de admisión de los diversos cilindros, que producen oscilaciones en el sistema de admisión del motor. El sensor sólo puede seguir tales oscilaciones de frecuencia hasta 10 Hz. A fin de reducir estas influencias todo lo posible, un plato de compensación (1) unido fijamente con el plato sonda de medición y trabajando en cooperación con un "volumen de amortiguación" (2), amortigua las oscilaciones originadas por el aire aspirado pulsante.



La medición según el principio de presión dinámica no determina el flujo másico real del aire aspirado por el motor, por esta razón para la dosificación precisa del combustible es necesario por tanto realizar una corrección de la masa volúmica teniendo en cuenta la temperatura del aire y la presión atmosférica.
A fin de tener en cuenta las variaciones de la masa volúmica del aire al fluctuar la temperatura del aire de admisión, la unidad de control determina un valor de corrección a partir de la resistencia termosensible de un sensor de temperatura (9) integrado en la sonda volumétrica de aire. En versiones destinadas a la M-Motronic se efectúa además una corrección barométrica. A este efecto, un sensor de presión comunica neumáticamente con el colector de admisión y detecta así la presión absoluta del colector de admisión. El sensor está integrado directamente en la unidad de control (empalmado por un tubo flexible al colector de admisión), o se encuentra montado cerca del colector, o está fijado directamente en él.

 

En la figura inferior puede verse un esquema que muestra la constitución eléctrica interna de un potenciómetro. La rampa (1) intercalada con respecto a la posición del cursor (2), la serie de resistencias que van de R1 a R12, de alto valor óhmico. La corriente de la batería mantiene una tensión (UB) entre el borne de entrada y el de salida. La corriente atraviesa las resistencias R14 y R13 y por el borne (B) se pone en contacto con el cursor. En la posición indicada en la figura la corriente solo ha de atravesar la resistencia R1 por lo que su señal de salida hacia la unidad de control tiene un valor de tensión alto. A medida que el cursor se desplaza hacia la izquierda entran en juego mayor número de resistencias y ello hace que la tensión de salida (UA) sea cada vez mas baja.
En el esquema se ve también una termistancia (3) que controla la temperatura del aire, dato que afecta a su densidad. El valor óhmico de la termistancia al variar con la temperatura influye en valor total de la tensión de salida (UA) que se envía a la unidad de control.

 

Medidor de masa de aire por hilo caliente HLM
Aplicación
El medidor de masa de aire por hilo caliente HLM se encuentra en determinados motores de gasolina equipados con un sistema de inyección LH-Jetronic o M-Motronic; está montado como sensor de carga "térmico" entre el filtro de aire y la mariposa. Detecta el flujo másico de aire QM para determinar la carga del motor. El HLM es el medidor de caudal de aire más rápido de los que se encuentran en funcionamiento, pues es capaz de seguir oscilaciones del promedio de hasta 1 kHz.

Estructura
El HLM consiste en un cuerpo tubular protegido en cada extremo por una reja y a través del cual circula el flujo de aire de admisión. Un delgado hilo calefaccionable de 70 µm, de platino, está tendido en forma de trapecio sobre toda la sección de este tubo de medición y detecta así, con una buena aproximación, toda la sección de flujo. Delante de él (en sentido ascendente), una resistencia compensadora de temperatura (realizada en tecnología de capas delgadas) penetra en el flujo de aire. Los dos componentes forman parte de un circuito de regulación y ejercen la función de resistencias dependientes de la temperatura.
La rejilla protectora además de filtrar el aire, lo conduce en régimen laminar para evitar turbulencias dentro del medidor.

 

Funcionamiento
La resistencia de compensación mide primero la temperatura del aire de admisión entrante, que enfría a continuación el hilo calefaccionado. Un circuito de regulación reajusta la corriente de calefacción de tal manera que el hilo caliente adopta una temperatura constante superior a la del aire de admisión. Este principio de medición tiene en cuenta la masa volúmica del aire en las proporciones correctas, puesto que ella codetermina el nivel de cesión de calor del hilo caliente al aire. La corriente de calefacción representa, pues, una medida del flujo de masa de aire. La corriente de calefacción genera en una resistencia de precisión (resistencia de medición RM) una señal de tensión UM que es proporcional al flujo de masa de aire y que se transmite a la unidad de control. El medidor de masa de aire HLM no puede reconocer, sin embargo, el sentido del flujo.
A fin de evitar una "deriva" de los resultados de medición a causa de depósitos de suciedad en el hilo de platino, éste es llevado por un segundo a una alta temperatura de autolimpieza de unos 1000 °C después de cada parada del motor. El hilo se limpia entonces por evaporación y desprendimiento de la suciedad depositada.

 

El circuito de regulación (medición) se compone esencialmente de un circuito en puente y de un amplificador (figura inferior).

 

Medidor de masa de aire de película caliente HFM5
Aplicación
Una combustión óptima dentro de los valores límite establecidos por la Ley para los gases de escape presupone que se suministre la masa de aire precisa que necesita el motor en el respectivo estado de servicio.
Con este objeto el medidor de masa de aire de película caliente mide con gran exactitud una parte de la corriente de masa de aire que realmente circula por el filtro de aire o el conducto de medición. El tiene también en cuenta las pulsaciones y reflujos causados por la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. Las modificaciones de la temperatura del aire aspirado no tienen ninguna influencia en la exactitud de medición.

Estructura
El medidor de masa de aire de película caliente HFM5 está introducido (figura inferior) en un conducto de medición, que puede tener diferente diámetro según la masa de aire necesaria para el motor (para 370... 970 kg/h). El conducto de medición está montado detrás del filtro de aire en el tramo de admisión. Hay también sensores de clavija montados en el filtro de aire.
Las partes esenciales del sensor son una célula de medición (3) bañada por la corriente de aire parcial en la entrada de aire de admisión, y un sistema electrónico evaluador integrado (2).
Los elementos de la célula de medición están metalizados por evaporación sobre un substrato semiconductor, y los elementos del sistema electrónico evaluador (circuito híbrido) sobre un substrato cerámico. De este modo es posible un tamaño muy pequeño. El sistema electrónico evaluador comunica a su vez con la unidad de control a través de conexiones eléctricas (1). El canal de medición de la corriente parcial (bypass) está conformado de manera que el aire puede fluir sin remolinos por delante de la célula y refluir por la salida hacia el conducto de medición. De ese modo se mejora el comportamiento del sensor en caso de corrientes de fuerte pulsación y, además de las corrientes en sentido directo, se reconocen también los reflujos.

 

Funcionamiento
El medidor de masa de aire de película caliente es un "sensor térmico". Trabaja según el siguiente principio:
Una resistencia calefactora dispuesta en el centro sobre la célula de medición (figura inferior, pos. 3) calienta una membrana sensible micromecánica (5) y la mantiene a una temperatura constante. Fuera de esta zona de calefacción regulada (4) disminuye la temperatura a ambos lados.
Dos resistencias dependientes de la temperatura montadas simétricamente respecto a la resistencia calefactora flujo arriba y flujo abajo sobre la membrana (puntos de medición MI, M2) detectan la distribución de la temperatura sobre ésta. Cuando no pasa aire, el perfil de temperaturas (1) es igual en ambos lados (T1 = T2).

 

Cuando pasa aire por encima de la célula de medición, el perfil uniforme de temperaturas sobre la membrana sufre un cambio (2). En el lado de aspiración la variación de la temperatura es más pronunciada, pues la corriente de aire enfría esta parte. En el lado opuesto, orientado hacia el motor, se enfría primero la célula de medición del sensor. Luego, el aire calentado por el elemento de calefacción caldea la célula de medición. La variación de la distribución de temperaturas ocasiona una diferencia de temperatura (AT) entre los puntos de medición M1 y M2.

El calor cedido al aire, y con ello la caída de temperatura en la célula de medición del sensor, depende de la masa de aire que pasa por delante de ella. La diferencia de temperatura (independientemente de la temperatura absoluta del aire que pasa) constituye una medida para la masa de la corriente de aire; además depende de la dirección, de manera que el medidor de masa de aire puede detectar tanto la cantidad como el sentido de una corriente de masa de aire.
Por ser la membrana micromecánica sumamente fina, el sensor reacciona muy rápidamente a las variaciones (< 15 ms). Esto es importante, especialmente con corrientes de aire de fuerte pulsación.
La diferencia de resistencia en los puntos de medición M1 y M2 la convierte el sistema electrónico evaluador integrado en el sensor en una señal de tensión analógica entre 0...5 V, adecuada a la unidad de control. Con la ayuda de la curva característica del sensor almacenada en la unidad de control (figura superior derecha), la tensión medida es convertida en un valor para la corriente de masa de aire [kg/h].
La curva característica está conformada de manera que la diagnosis integrada en la unidad de control puede identificar defectos como p. ej. una interrupción de línea. En el medidor de masa de aire de película caliente HFM5 puede haber integrado un sensor de temperatura para evaluaciones adicionales. Este sensor se encuentra sobre la célula de medición, delante de la zona caliente.
El no es necesario para determinar la masa de aire. Para ciertas aplicaciones en algunos vehículos se toman medidas adicionales contra el agua y la suciedad (conducto interior, rejilla protectora).


Captadores de presión absoluta

Otra forma de medir el aire de admisión que entra al motor es mediante captadores de presión absoluta
El captador o sensor de presión proporciona una señal eléctrica a la unidad de control (ECU) en función de la depresión que existe en el colector de admisión del motor. Como ejemplos vamos a ver los sensores utilizados en los sistemas de inyección Renix de Renault y D-Jetronic de Bosch.

 

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