Sensores - Second and Company

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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:
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Cumplir las disposiciones sobre gases de escape cada vez mas restrictivas.
Suministrar informaciones a un sistema de diagnostico (OBD: On Board Diagnostic) en
funcionamiento permanente.
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:
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en el circuito del liquido refrigerante, para poder determinar la temperatura del motor a
partir de la temperatura del liquido refrigerante.
en el canal de admisión para medir la temperatura del aire aspirado.
en el aceite del motor para medir la temperatura del aceite (opcional).
en el retorno del combustible para medir la temperatura del combustible (opcional).
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:
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La posición del cigüeñal.
La posición del émbolo en bombas de inyección distribuidoras controladas por
electroválvula.
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 M 1 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
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Sensor de tubo de admisión o de presión de sobrealimentación
El sensor de presión de alimentación está montado por lo general directamente en el
tubo de admisión. Mide la presión absoluta en el tubo de admisión (2 .... 400 kPA o
0,02 ....4,0 bar), o sea que mide la presión contra un vacío de referencia y no contra la
presión del entorno. De este modo es posible determinar la masa de aire con toda
exactitud y regular el compresor de acuerdo con las necesidades del motor.
Si el sensor no esta montado directamente en el tubo de admisión, este se hace
comunicar neumáticamente con el tubo de admisión mediante una tubería flexible.
Sensor de presión atmosférica (ADF)
Este sensor puede estar montado en la unidad de control o en otro lugar del vano
motor. Su señal sirve para la corrección, en función de la altura, de los valores teóricos
para los circuitos reguladores (como ejemplo: retroalimentación de gases de escape
EGR, regulación de la presión de sobrealimentación). Con ello se pueden tener en
cuenta las diferencias de la densidad del aire del entorno. El sensor de presión de
entorno mide la presión absoluta (60 .....115 kPa o 0,6 ....1,15 bar).
Sensor de presión del aceite y combustible
Los sensores de presión de aceite están montados en el filtro de aceite y miden la
presión absoluta del aceite para que se pueda averiguar la carga del motor para la
indicación de servicio. Su margen de presiones se sitúa en 50 ....1000 kPa o 0,5
...10,00 bar.
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 analogicodigital, 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:
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En la unidad de control se requiere un volumen menor de cálculos.
Una interfaz uniforme, flexible e idónea para operar con buses permite la aplicación de
sensores diferentes.
Un sensor puede ser utilizado varias veces por diferentes unidades de control a través
del bus de datos
Pequeños efectos de medición (como ejemplo: el piezoefecto) pueden ser registrados
(con amplificación de señal de medición).
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Es posible una calibración sencilla.
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