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ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA PROYECTO FINAL DE CARRERA SENSORIZACIÓN DE UNA MOTO DE COMPETICIÓN AUTOR: Alejandro Costa Perna DIRECTOR: Vicente Alcalá Heredia ESPECIALIDAD: Electricidad CONVOCATORIA: Septiembre 2010 SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 2 ÍNDICE DE FIGURAS....................................................................................................................... 6 1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................10 2. OBJETO DEL PROJECTO....................................................................................................... 11 3. SENSORES: CLASIFICACION Y PARTICULARIDADES ........................................................... 12 3.1. Definición de sensor ..........................................................................................12 3.2. Sensor, transductor y captador ..........................................................................13 3.3. Clasificación de los sensores ..............................................................................14 3.4. Particularidades de los sensores del automóvil...................................................17 4. SENSORES DE POSICIÓN (RECORRIDO/POSICIÓN ANGULAR)...........................................23 4.1. Descripción general ...........................................................................................23 4.2. Principios de medición.......................................................................................24 4.2.1. Sensores de potenciómetro .................................................................................24 4.2.2. Sensores inductivos ..............................................................................................25 4.2.3. Sensores magneto estáticos.................................................................................26 4.3. Tipos de sensores de posición............................................................................28 4.3.1. Potenciómetro de plato sonda.............................................................................28 4.3.2. Sensor de mariposa ..............................................................................................30 4.3.3. Sensores de anillos de cortocircuito semidiferencial..........................................34 4.3.4. Sensor de nivel de combustible ...........................................................................37 4.3.5. Sensores de pedal acelerador ..............................................................................39 4.3.6. Sensores de ángulo del volante de dirección ......................................................42 4.3.7. Sensores de eje .....................................................................................................45 4.3.8. Sensores ultrasónicos...........................................................................................47 4.3.9. Sensores electromagnéticos (radar) ....................................................................50 4.3.10. Regulador inteligente de velocidad de marcha ACC.......................................52 5. SENSORES DE VELOCIDAD DE (ROTACIÓN/VELOCIDAD LINEAL) ......................................55 5.1. Descripción general ...........................................................................................55 5.2. Principios de medición.......................................................................................56 5.2.1. Sensores inductivos ..............................................................................................56 5.2.2. Sensores magneto estáticos.................................................................................57 5.2.3. Sensores de convolución ......................................................................................59 5.3. Tipos de sensores de velocidad ..........................................................................60 5.3.1. Sensores de revoluciones del motor (inductivos) ...............................................60 5.3.2. Sensor de movimiento de aguja en porta inyector (inductivo) ..........................62 5.3.3. Sensor para encendido transistorizado (inductivo).............................................64 5.3.4. Sensores de velocidad de giro de las ruedas (inductivo) ....................................66 5.3.5. Sensores de ángulo de giro (efecto Hall) .............................................................68 SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 3 5.3.6. Sensores tacometritos de cajas de cambios (efecto Hall)...................................74 5.3.7. Sensor Hall para encendido transitorizado (efecto Hall) ....................................76 5.3.8. Sensores de convolución ......................................................................................78 6. SENSORES DE ACELERACIÓN Y DE VIBRACIONES ..............................................................83 6.1. Descripción general ...........................................................................................83 6.2. Principios de medición.......................................................................................83 6.3. Tipos de sensores de aceleración .......................................................................84 6.3.1. Sensores de aceleración de efecto Hall................................................................84 6.3.2. Sensores de aceleración realizados por micromecánica.....................................86 6.3.3. Sensores de aceleración piezoeléctricos..............................................................89 6.3.4. Sensor de pistoneo ............................................................................................... 91 7. SENSORES DE CAUDAL........................................................................................................93 7.1. Descripción general ...........................................................................................93 7.2. Principios de medición.......................................................................................93 7.3. Tipos de sensores ..............................................................................................95 7.3.1. Sonda volumétrica de aire por plato sonda LMM...............................................95 7.3.2. Medidor de masa de aire por hilo caliente HLM .................................................99 7.3.3. Medidor de masa de aire de película caliente HFM5........................................102 8. SENSORES DE TEMPERATURA..........................................................................................108 8.1. Descripción general .........................................................................................108 8.2. Principios de medición.....................................................................................108 8.3. Tipos de sensores ............................................................................................110 8.3.1. Sensor de temperatura del moto.......................................................................110 8.3.2. Sensor de temperatura del aceite de motor......................................................110 8.3.3. Sensor de temperatura de los gases de escape.................................................110 8.3.4. Sensor de temperatura del refrigerante............................................................111 8.3.5. Sensor de temperatura del aire aspirado ..........................................................114 8.3.6. Sensor de temperatura del combustible ...........................................................115 9. SENSORES DE GAS, SONDAS DE CONCENTRACIÓN.........................................................116 9.1. Descripción general .........................................................................................116 9.2. Principios de medición.....................................................................................117 9.3. Tipos de sensores ............................................................................................118 9.3.1. Sensores de calidad del aire...............................................................................118 9.3.2. Sondas lambda....................................................................................................120 10. CRITERIOS DE SELECCIÓN DE SENSORES......................................................................132 10.1 Introducción....................................................................................................132 10.2 Algunas características que definen un captador de señal.................................133 10.2.1 Naturaleza de las magnitudes físicas a medir...............................................134 SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 4 10.2.2 Tipo de fenómeno físico: estático o dinámico...............................................134 10.2.3 Rango de la medida: sensibilidad y resolución .............................................135 10.2.4 Precisión requerida: error y linealidad..........................................................136 11. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS...........................................................................139 11.1. Introducción....................................................................................................139 11.2. ¿Qué es un Sistema de Adquisición de Datos? (SAD).........................................139 11.2.1. Sensores o Transductores ..............................................................................140 11.2.2. Amplificadores operacionales........................................................................141 11.2.3. Amplificador de instrumentación.................................................................. 141 11.2.4. Aisladores ....................................................................................................... 141 11.2.5. Multiplexores..................................................................................................141 11.2.6. Circuitos de muestreo y retención (Sample and Hold) ................................. 142 11.2.7. Conversor Analógico Digital A/D ...................................................................143 11.2.8. Conversor Digital Analógico D/A ...................................................................144 11.2.9. Microprocesadores.........................................................................................145 11.3. Preparación de la señal....................................................................................145 11.4. Proceso de cuantificación y codificación...........................................................146 11.5. Teoría de muestreo .........................................................................................148 11.6. Tiempo de respuesta requerido .......................................................................149 11.7. Circuitos ASIC ..................................................................................................150 11.8. Ejemplos de aplicación.....................................................................................151 12. CRITERIOS DE SELECCIÓN DE UN SAD........................................................................... 156 12.1. Introducción....................................................................................................156 12.2. Amplificadores ................................................................................................156 12.3. Filtros..............................................................................................................156 12.4. Multiplexores..................................................................................................157 12.5. Circuitos de muestreo y retención....................................................................157 12.6. Conversores A/D Y D/A....................................................................................157 12.7. Conclusión.......................................................................................................158 13. SISTEMA DISEÑADO ......................................................................................................159 13.1. Introducción....................................................................................................159 13.2. El tacómetro....................................................................................................159 13.2.1. Contador de pulsos .........................................................................................160 13.2.2. Tacómetros de arrastre por inducción............................................................162 13.3. Sensor inductivo de proximidad XS618B1PAL2 de Bosch...................................162 13.3.1. Introducción....................................................................................................162 13.3.2. Funcionamiento..............................................................................................163 13.3.3. Descripción del sistema..................................................................................165 SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 5 13.3.4. Identificación de los cables............................................................................167 13.3.5. Comprobación del correcto funcionamiento ................................................167 13.4. Medición de temperaturas...............................................................................168 CONCLUSIÓN.............................................................................................................................169 ANEXOS..................................................................................................................................... 170 SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 6 ÍNDICE DE FIGURAS Figura3.1:Diagrama de bloques de un sensor................................................................ 12 Figura 3.2: Diferentes sensores en un vehiculo. ............................................................ 13 Figura 3.3: Conexión de una Termoresistencia en un puente de Wheastone............... 16 Figura 3.4: Puente de Wheastone con 2 y 4 termo resistencias.................................... 16 Figura 3.5:Factores que influyes en las exigencias de un sensor................................... 17 Figura 3.6:Generaciones de los sensores del automóvil................................................ 19 Figura 3.7: Diagrama de bloques de un sensor de ultima generación........................... 19 Figura 3.8: Comparador de dos sensor de presión de diferentes generaciones ........... 20 Figura 4.1:Tabla indicativa con varios sensores de posición y su rango de medición ... 23 Figura 4.2: Sensor inductivo en anillo de cortocircuito.................................................. 25 Figura 4.3: Funcionamiento de un sensor Hall............................................................... 26 Figura 4.4:Esquema explicativo del sistema de inyección KE-Jetronic de gasolina....... 29 Figura 4.5:Esquema del sensor de plato sonda.............................................................. 30 Figura 4.6:Esquema de un sensor de mariposa ............................................................. 31 Figura 4.7:Dos funciones de transferencia de un sensor de mariposa.......................... 32 Figura 4.8: Circuito eléctrico típico de un sensor de mariposa...................................... 33 Figura 4.9:Esquema de un sensor de mariposa. ............................................................ 33 Figura 4.10:Esquema de sensor de anillo en cortocircuito para medir recorrido ......... 34 Figura 4.11:Grafica que muestra función de transferencia del sensor.......................... 35 Figura 4.12:Esquema sensor de posición del regulador de caudal de inyección........... 35 Figura 4.13:Esquema sensor anillo cortocircuito para bombas rotativas diesel. .......... 36 Figura 4.14: Esquema de ubicación del sensor de anillo en cortocircuito..................... 36 Figura 4.15:Esquema de ubicación del sensor de nivel de combustible........................ 37 Figura 4.16: Esquema de sensor de nivel de combustible............................................. 38 Figura 4.17:Diferentes formas de construcción del sensor de pedal de acelerador. .... 39 Figura 4.18:Función de transferencia de sensor de pedal acelerador........................... 40 Figura 4.19:Esquema de despiece de un sensor de ángulo Hall. ................................... 41 Figura 4.20:Esquema de funcionamiento de un sensor de ángulo Hall......................... 41 Figura 4.21:Esquema de despiece de un sensor de volante Hall................................... 43 Figura 4.22:Esquema de ubicación del sensor de ángulo de volante Hall..................... 44 Figura 4.23:Esquema de sensor ángulo de volante Hall. ............................................... 44 Figura 4.24: Esquema de un sensor de eje..................................................................... 46 Figura 4.25: Esquema de ubicación de un sensor de eje. .............................................. 46 Figura 4.26:Diagrama de radiación de antena de un sensor ultrasónico. ..................... 47 Figura 4.27:Esquema de la sección de un sensor ultrasónico........................................ 48 Figura 4.28:Diagrama de bloques de la lógica de control de un sensor ultrasónico. .... 49 Figura 4.29:Calculo ultrasónico de distancias a un obstáculo........................................ 49 Figura 4.30: Esquema de ubicación de un sensor ultrasónico....................................... 50 Figura 4.31: Diagrama de bloques de un sensor ultrasónico......................................... 52 Figura 4.32:Diagrama de bloques del regulador de velocidad de marcha ACC............. 54 Figura 5.1: Esquema de sensor de gradiente para exploración en rueda dentada. ...... 59 Figura 5.2: Esquema de sensor de revoluciones del cigüeñal........................................ 61 Figura 5.3: Esquema de ubicación de sensor de revoluciones....................................... 62 Figura 5.4:Grafica que muestra señal de sensor de revoluciones inductivo. ................ 62 Figura 5.5:Porta inyector con sensor de movimiento de aguja para motores. ............. 63 SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 7 Figura 5.6:Respuesta en tensión de un sensor de movimiento de aguja. ..................... 64 Figura 5.7:Esquema sensor del tipo inductivo. .............................................................. 65 Figura 5.8:Generador de impulsos para ser detectado por sensor inductivo. .............. 65 Figura 5.9:Esquema de un distribuidor con generador de impulsos inductivo. ............ 66 Figura 5.10:Formas y modos de montaje para espiga polar,......................................... 68 Figura 5.11: Catalogo Bosch con ubicación del sensor magnético de revoluciones...... 69 Figura 5.12:Esquema de ubicación de sensor de revoluciones...................................... 70 Figura 5.13:Esquema de sensor doble diferencial ......................................................... 70 Figura 5.14:Fotografía de sensores de velocidad de efecto Hall. .................................. 71 Figura 5.15:Esquema de sensor de barra Hall................................................................ 72 Figura 5.16:Esquema de funcionamiento de sensor de barra Hall................................ 72 Figura 5.17:Diferentes tipos de sensores de barra Hall según la detección.................. 73 Figura 5.18:Esquema de ubicación y montaje del árbol de levas. ................................. 74 Figura 5.19:Esquema eléctrico de sensor Hall con interfase de corriente bifilar. ......... 75 Figura 5.20:Diferentes señales de salida atendiendo al tipo de sensor......................... 76 Figura 5.21: Esquema de sensor Hall para encendido transitorizado............................ 77 Figura 5.22:Distribuidos con generador de impulsos .(Igual que Figura 5.9) ................ 78 Figura 5.23:Esquema de sensor de convolución con diapasón...................................... 79 Figura 5.24:Esquema funcionamiento de sensor de convolución con diapasón........... 80 Figura 5.25:Sensor piezoeléctrico de viraje.................................................................... 81 Figura 5.26:Esquema de funcionamiento de sensor de convolución piezoeléctrico..... 82 Figura 6.1:Medidas de aceleración y rango de medida. ................................................ 83 Figura 6.2:Esquema de un sensor de aceleración.......................................................... 85 Figura 6.3:Función de transferencia de un sensor de aceleración. ............................... 85 Figura 6.4:Esquema de funcionamiento de un sensor de aceleración de efecto Hall... 86 Figura 6.5: Ubicación de sensor realizado por micromecánica en un automóvil. ......... 86 Figura 6.6:Sensores realizados por micromecánica para el disparo del airbag............. 87 Figura 6.7:Sensor realizado por micromecánica y de detención capacitiva.................. 88 Figura 6.8:Diagrama de bloques de sensor de aceleración............................................ 89 Figura 6.9:Fotografía sensor aceleración transversal combinado con sensor de viraje.89 Figura 6.10:Sensor de aceleración piezoeléctrico para detección de picado................ 90 Figura 6.11:Graficas que determinan la forma de la señal de picado. .......................... 90 Figura 6.12:Esquema de funcionamiento y ubicación del sensor de picado................. 91 Figura 6.13:Esquema de sensor de pistoneo. ................................................................ 92 Figura 7.1:Esquema de ubicación de la sonda volumétrica en el plato sonda. ............. 95 Figura 7.2:Esquema interno de sonda volumétrica. ...................................................... 96 Figura 7.4:Esquema sección sonda volumétrica ............................................................ 97 Figura 7.5:Esquema del potenciómetro de la sonda volumétrica de plato................... 98 Figura 7.6:Grafica que muestra la función de transferencia del sensor volumétrico.... 98 Figura 7.7:Esquema de despiece del medidor de masa de aire por hilo caliente.......... 99 Figura 7.8:Despiece del medidor de masa de aire por hilo caliente............................ 100 Figura 7.9:Fotografía de un cuerpo tubular con hilo de platino calefactable.............. 101 Figura 7.10: Esquema eléctrico del medidor de masa de aire por hilo caliente.......... 101 Figura 7.11 y 7.12:Esquema de medidor de masa de aire por película caliente. ........ 103 Figura 7.13: Funcionamiento de sensor de masa de aire caliente por película........... 104 Figura 7.14:Esquema del sistema de inyección Renix de Renault. .............................. 105 Figura 7.15:Sensor de presión del sistema de inyección D-Jectronic de Bosch........... 106 SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 8 Figura 7.16:Esquema de sensor de presión absoluta................................................... 107 Figura 7.17:Esquema de sensor de presión absoluta con compensador de altitud.... 107 Figura 8.1:Circuito divisor de tensión........................................................................... 109 Figura 8.2: tabla con mediciones de temperatura que se efectúan en el automóvil. . 109 Figura 8.3:Función de transferencia sensor temperatura del refrigerante. ................ 110 Figura 8.4: Esquema de sensor de temperatura NTC................................................... 112 Figura 8.5:Fotografía sensor de temperatura NTC para líquidos................................. 112 Figura 8.6:Función de transferencia de un sensor de temperatura NTC..................... 113 Figura 8.7:Esquema sensor temperatura..................................................................... 114 Figura 8.8:Fotografía de sensor de temperatura NTC para aire. ................................. 115 Figura 9.1:Unidad de control de una sonda Lambda. .................................................. 118 Figura 9.2:Esquema de un sensor para determinar la calidad de aire......................... 119 Figura 9.3:Esquema de sensor para determinar humedad.......................................... 120 Figura 9.4:Fotografía de unas sondas Lambda de Bosch. ............................................ 120 Figura 9.5:Diagrama de bloques y función de transferencia de una sonda Lambda... 121 Figura 9.6:Esquema de ubicación de sonda Lambda. .................................................. 122 Figura 9.7: Esquema de sonda Lambda no calefaccionada.......................................... 123 Figura 9.8: Esquema sonda Lambda calefaccionada.................................................... 124 Figura 9.9:Fotografía de sensores Lambda digitiformes............................................. 124 Figura 9.10:Esquema de sonda lambda plana.............................................................. 125 Figura 9.11:Esquema de sonda lambda plana modelo LSF4 de Bosch. ....................... 127 Figura 9.12: Esquema de sonda lambda plana modelo LSF8 de Bosch........................ 127 Figura 9.13:Grafica que muestra función de transferencia de sonda lambda plana... 128 Figura 9.14:Esquema de ubicación de sondas lambda en catalizador......................... 129 Figura 9.15:Esquema circuito de sonda lambda plana de banda ancha...................... 130 Figura 9.16:Esquema de sonda lambda de banda ancha LSU4.de Bosch.................... 131 Figura 11.1:Diagrama de bloques general de un SAD.................................................. 140 Figura 11.2:Diagrama de diferentes tipos de multiplexores........................................ 142 Figura 11.3:Sample and Hold........................................................................................ 142 Fifura 11.4:Ecuación del Sample and Hold................................................................... 142 Figura 11.5:Esquema general del A/D.......................................................................... 143 Figura 11.6:Ecuación para el modo unipolar del A/D. ................................................. 143 Figura 11.7:Ecuación para el modo bipolar del A/D..................................................... 144 Figura 11.8:Estructura general de un D/A.................................................................... 144 Figura11.9:Ejemplo de transición donde ocurre el glitch. ........................................... 145 Figura 11.10:Conexión de un conversor D/A con más de 8 bits. ................................. 145 Figura 11.11:Función de transferencia ideal de un convertidor A/D........................... 147 Figura 11.12:Grafica en respuesta de sistema de segundo orden............................... 149 Figura 11.13:Diagrama de bloques de ASIC CC212. ..................................................... 152 Figura 11.14:Diagrama de bloques de ASIC CC195. ..................................................... 153 Figura 11.15:Diagrama de bloques ASIC para evaluación de señales de aceleración. 154 Figura 11.16: Circuito integrado con sensor, amplificador y EEPROM. ....................... 155 Figura 11.17: Diagrama de bloques del futuro ASIC. ................................................... 155 Figura 13.1: Circuiteria empleada para la adquisición estática. .................................. 159 Figura 13.2: Conexionado del sensor inductivo a la bujía............................................ 160 Figura 13.3:Dibujo explicativo del funcionamiento por pulsos ópticos....................... 161 Figura 13.4: Dibujo explicativo del funcionamiento por inducción de arrastre........... 162 SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 9 Figura 13.5: Bloques de un sensor inductivo de proximidad....................................... 163 Figura 13.6: Fotografía de sensor inductivo de proximidad. ....................................... 164 Figura 13.7: Fotografía del banco de potencia construida........................................... 165 Figura 13.8:Fotografía de la rueda dentada y el rodillo de inercia. ............................. 166 Figura 13.9:Fotografía circuito adaptación de la señal del sensor de proximidad ...... 167 Figura 13.10 y 13.11: Sensores de temperatura tipo NTC ........................................... 168 SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 16 Figura 3.3: Conexión de una Termoresistencia en un puente de Wheastone. La anterior conexión del puente de Wheastone, proporciona una variación muy pequeña del voltaje para una variación de temperatura, aproximadamente 1.6mV por cada grado centígrado, con un voltaje de referencia de 10V, con vistas a aumentar la variación de voltaje para una misma variación de temperatura se pueden escoger configuraciones de 2 ó 4 termo resistencias. Para la configuración de 2 termo resistencias se puede lograr una variación aproximada de 6.2mV por grado centígrado para un voltaje de referencia de 10V y para la configuración de 4 termo resistencias de aproximadamente 13mV en las mismas condiciones. Figura 3.4: Puente de Wheastone con 2 y 4 termo resistencias. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 17 3.4. Particularidades de los sensores del automóvil A diferencia de los sensores convencionales, los utilizados en el sector del automóvil están diseñados para responder a las duras exigencias que se dan en el funcionamiento de los vehículos a motor, teniendo en cuenta una serie de factores como son los que se ven en la figura inferior: Figura 3.5:Factores que influyes en las exigencias de un sensor Alta fiabilidad Con arreglo a sus funciones, los sensores para el sector del automóvil se pueden ordenar en tres clases de fiabilidad según su importancia: • Dirección, frenos, protección de los pasajeros • Motor/cadena cinemática, tren rodaje/neumáticos • Confort, diagnosis, información y protección contra el robo. Las exigencias más altas en el sector del automóvil se corresponden con las exigencias que se utilizan en los sectores de la aeronáutica y astronáutica. La fiabilidad de los sensores es garantizada por técnicas de construcción que utilizan componentes y materiales sumamente seguros. Se procura la integración consecuente de los sistemas para evitar en lo posible conexiones separables y el riesgo de fallos en los mismos. Cuando es necesario, se emplean sistemas de sensores redundantes, es decir, sensores de igual función que, por razones de seguridad, efectúan mediciones paralelas. Bajos costes de fabricación Comparado estos sensores con otros utilizados en otros campos, tienen un reducido coste de fabricación. Estos costes pueden llegar a ser: hasta 100 veces inferior al coste de fabricación de sensores convencionales de igual rendimiento. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 18 Como excepción están los sensores que pertenecen a nuevas tecnologías que se aplican al automóvil, los costes iniciales de estos son normalmente más altos y van luego disminuyendo progresivamente. Duras condiciones de funcionamiento Los sensores se hallan en puntos particularmente expuestos del vehículo. Están sometidos por tanto a cargas extremas y han de resistir toda clase de esfuerzos: • Mecánicos (vibraciones, golpes) • Climáticos (temperatura, humedad) • Químicos (salpicaduras de agua, niebla salina, aceite motor, acido de batería) • Electromagnéticos (irradiaciones, impulsos parásitos procedentes de cables, sobretensiones, inversión de polaridad). Por razones de eficacia los sensores se sitúan preferentemente en los puntos donde se quiere hacer la medición, esta disposición tiene el inconveniente de que el sensor esta mas expuesto, a interferencias de todo tipo, como las enumeradas anteriormente. Alta precisión Comparada con las exigencias impuestas a los sensores de procesos industriales, la precisión requerida de los sensores del automóvil es, salvo pocas excepciones (sondas volumétricas de aire), mas bien modesta. Las tolerancias admisibles son en general mayor o igual a 1% del valor final del alcance de medición, particularmente teniendo en cuenta las influencias inevitables del envejecimiento.Para garantizar la alta precisión, es suficiente de momento disminuir las tolerancias de fabricación y refinar las técnicas de equilibrado y compensación. Un avance importante vino con la integración híbrida o monolítica del sensor y de la electrónica de tratamiento de señales en el punto mismo de medición, hasta llegar a obtener circuitos digitales complejos tales como los convertidores analógico-digitales y los microordenadores. Los llamados "sensores inteligentes" utilizan hasta el máximo la precisión intrínseca del sensor y ofrecen las siguientes posibilidades: • Alivio de la unidad de control. • Interfase uniforme, flexible y compatible con el Bus. • Utilización de los sensores por varios sistemas. • Aprovechamiento de efectos físicos de reducida amplitud, así como de efectos de medición de alta frecuencia (amplificación y desmodulación en el mismo lugar). • Corrección de divergencias del sensor en el punto de medición, así como equilibrado y compensación comunes del sensor y de su electrónica, simplificadas y mejoradas por memorización de las informaciones correspondientes en una memoria PROM. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 19 El siguiente cuadro muestra la evolución de los sensores con el paso de los años, aunque es particular para el caso del automóvil, se podría extrapolar a cualquier sector de la industria, ya que todos han evolucionado de la misma manera. Además muchos sensores usados en el automóvil son también utilizados en otros procesos. Figura 3.6:Generaciones de los sensores del automóvil Figura 3.7: Diagrama de bloques de un sensor de ultima generación SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 20 Figura 3.8: Comparador de dos sensor de presión de diferentes generaciones 3.5. Tecnologías de transducción La transformación de una magnitud física cualquiera en una señal eléctrica se conoce bajo el nombre de traducción las posibilidades de traducción actualmente disponibles son muy numerosas. En principio el fenómeno de la traducción puede ser activo, en el caso de que la magnitud física a detectar proporciona la energía necesaria para la generación de la señal eléctrica o pasivo, cuando la magnitud a detectar se limita a modificar algunos de los parámetros eléctricos característicos del elemento sensor, tales como resistencia, capacidad, reluctancia... Desde el punto de vista del usuario, el hecho de que el traductor sea activo o pasivo no reviste especial importancia. Siempre será necesario algún acondicionamiento de la señal eléctrica, aunque no se precisa alimentación. En resumen y como primera clasificación a todas las tecnologías, comentare una pequeña descripción de cada una de ellas, aunque posteriormente profundizare mas al hablar de cada tipo de sensor. Es imprescindible un conocimiento mínimo para poder establecer un criterio aunque sea básico, de selección del tipo de transductor a elegir en una determinada aplicación: El efecto piezoeléctrico es energéticamente activo. Si entre dos placas de metal se introduce un cristal de cuarzo, natural o sintético y se someten las placas a una presión mecánica se almacenara sobre cada una de ellas una carga eléctrica de igual valor pero de distinto signo. Con un amplificador de carga se transforma la variación de carga en una salida de tensión proporcional a la presión mecánica aplicada. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 21 Los traductores que se emplean en aplicaciones cuyas variables evolucionan muy rápidamente, se basan en este principio. Los traductores potenciométricos se basan en el desplazamiento de un cursor sobre una pista conductora bajo el control de un dispositivo de guiado, en función de una presión, desplazamiento, etc. Las ejecuciones pueden varían según los fabricantes pero su campo de aplicación es siempre el mismo, solo para magnitudes de lenta variación. La variación de resistencia óhmica que experimenta un conductor al cambiar su longitud es el principio de traducción que se utiliza principalmente en la construcción de traductores de uso industrial. Se consiguen traductores robustos, con un amplio rango de medida y buena precisión, que pueden trabajar tanto en régimen estático como dinámico. El efecto hall tiene lugar cuando entre las placas norte y sur de un imán se sitúa una placa conductora no ferromagnética: si se hace atravesar una corriente eléctrica por la placa, perpendicular al campo magnético, esta tiende a desplazarse en un sentido perpendicular a ambas. También se puede producir el efecto inverso, si la placa se desplaza, se genera una corriente. El efecto capacitivo puede utilizarse de varias maneras. La capacidad entre dos placas separadas por un dieléctrico es proporcional a la constante dieléctrica y al factor de geometría del sistema. Los traductores basados en el efecto capacitivo presentan una excelente inmunidad al ruido, son muy estables y presentan histéresis y linealidad mejores al 0.01.% de escala. En general, todos los captadores miden tanto valores positivos como negativos, a no ser que su configuración constructiva lo haga imposible. La inducción mutua entre dos bobinas es el fundamento del transformador de tensión. Si una de las bobinas se alimenta en corriente alterna se produce un flujo alternativo que al ser cortado por las espiras de la otra bobina se induce en ella una fuerza electromotriz. Si medio secundario se bobina en sentido contrario al otro medio (transformador diferencial) la salida será nula, a no ser que la mayor o menor introducción de un núcleo ferromagnético haga variar la inductancia entre las bobinas en cuyo caso la salida corresponderá únicamente a esta variación del campo. El desplazamiento de un núcleo de material ferromagnético en el interior de las bobinas del transformador diferencial alimentado en corriente alterna, proporciona una variante de la tensión también alterna, de salida en bornes de la bobina del secundario. La respuesta es lineal en un amplio margen de trabajo, debido principalmente al mismo principio de medida y a las características constructivas del captador. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 22 Otro método inductivo es el de reluctancia variable , en una bobina alimentada con una corriente alterna la variación de reluctancia solo modificara uno de sus parámetros, la autoinducían, y por tanto también la intensidad de la corriente a circular por ella. Es una traducción pasiva porque solo varían las características eléctricas del circuito. Se consiguen traductores con muy buena respuesta en frecuencias elevadas, hasta 5 KHZ, pero la precisión es menor que con captadores resistivos, y la alimentación en alterna es mas compleja porque esta exige la rectificación de la señal. Hay otros muchos principios de traducción ampliamente utilizados en la industria a demás de los que se han indicado anteriormente, pero su explicación no es lo suficientemente relevante para este Proyecto. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 23 4. SENSORES DE POSICIÓN (RECORRIDO/POSICIÓN ANGULAR) 4.1. Descripción general Los sensores de posición sirven para detectar recorridos y posiciones angulares y son los sensores más utilizados en los vehículos motorizados. Desde hace tiempo se investiga para sustituir los sensores con contacto (por medio de cursores), por otros sin contacto, que no estén sometidos a desgastes y por tanto ofrezcan una duración más larga y una mayor fiabilidad, pero esto es en teoría, en la realidad todavía se siguen usando sensores de cursor por motivos económicos y por que estos cumplen aun bien su tarea en diferentes puntos del automóvil. A continuación en la siguiente tabla se muestran los puntos del automóvil donde se utilizan los sensores de posición, así como las magnitudes aproximadas de medición. Magnitud de medición Valor del campo de medición Posición de la mariposa de un motor de gasolina 90º Posición del pedal del acelerador/freno 30º Recorrido y posición de la varilla de regulación de una bomba de inyección diesel en línea 21 mm Posición angular d el mecanismo de control del caudal de una bomba rotativa inyección Diesel 60º Nivel de llenado del depósito de combustible 20 ......50 cm Carrera del actuador del embrague 50 mm Distancia vehiculo - vehículo o vehículo - obstáculo 150 m Angulo de la dirección (volante) ± 2 x 360 º (± 2 vueltas) Angulo respecto a sentido de marcha 360º Angulo de inclinación 15º Desplazamiento de plato sonda (caudal) 30 .......90º Recorrido de compresión de los elementos de suspensión 25 cm Figura 4.1:Tabla indicativa con varios sensores de posición y su rango de medición SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 24 4.2. Principios de medición Para medir recorridos o posiciones angulares podemos utilizar sensores que utilicen sistemas basados en diferentes principios de medición como son: • Sensores de potenciómetro • Sensores inductivos • Sensores magneto estáticos (efecto Hall) • Sensores de propagación de ondas (ultrasónicos y electromagnéticos) 4.2.1. Sensores de potenciómetro El potenciómetro de cursor utiliza como principio de medición la equivalencia existente entre la longitud de una resistencia alámbrica, en forma de cable o hilo o de capa, en forma de pista y su valor óhmico. Actualmente es el sensor de posición más económico. Para evitar sobrecargas, generalmente esta aplicada la tensión al punto de medición a través de pequeñas resistencias en serie Rv, esta resistencia también se usa para el calibrado del punto cero y el ajuste de la elevación. La forma dada al contorno de la pista de medición influye en el trazado de la curva característica. La conexión del cursor se efectúa generalmente a través de la segunda pista de contacto de igual superficie, que tiene debajo una capa de material conductor de bajo valor óhmico. Un bajo amperaje de la corriente de salida (IA<1 mA) y un encapsulado a prueba de polvo contribuyen a reducir el desgaste y el falseamiento de los valores medidos. Por otra parte un par de fricción óptimo formado por el cursor y la pista de contacto constituyen a una condición previa para un desgaste reducido; el cursor puede tener entonces la forma de una "cuchara" o de un "rascador" y disponer de una sola o de varias ramas, teniendo incluso la forma de una "escoba". Ventajas: • Estructura sencilla y fácil de comprender. • Margen de medición elevado tanto en recorrido como en tensión a utilizar. • No se requiere electrónica de adaptación. • Buena resistencia a tensiones parasitas. • Amplia gama de temperaturas de funcionamiento (<250º C). • Alta precisión (menor de 1% de desviación). • Amplio campo de medición (cubre casi 360º) • Ejecución de redundancia sin problemas. • Facilidad de calibrado (por láser, etc.) • Montaje flexible (sobre superficie plana o curvada) • Numerosos fabricantes SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 25 Desventajas: • Desgaste mecánico, abrasión. • Errores de medición a causa de restos de abrasión. • Problemas en caso de utilizarlo dentro de un líquido. • Variación de la resistencia de contacto entre cursor y medición. • Levantamiento del cursor en caso de aceleraciones o vibraciones. • Miniaturización limitada. • Producción de ruido. 4.2.2. Sensores inductivos De todos los principios de medición de posición sin contactos, los sensores inductivos son particularmente insensibles a las perturbaciones y muy robustos. Las disposiciones de bobinas necesarias para esos sensores requieren sin embargo mucho más espacio en comparación con los sensores micro mecánico, no facilitando por ejemplo, la realización de un montaje redundante ya que la medición se realiza en paralelo. Además la conexión que requieren las bobinas constituye un factor poco favorable respecto a los costes y a la fiabilidad. Dentro de los sensores inductivos tenemos los "sensores de anillo de cortocircuito" que están formados por una bobina con núcleo de material magnético dulce, generalmente chapeado, en forma de U o de E derecha o curvada. La placa móvil es la que llamamos "anillo de cortocircuito" de material conductor como el cobre o aluminio, que puede desplazarse sobre uno o sobre todos los brazos del núcleo. Este tipo de sensor tiene un valor de inductancia alto y puede funcionar a bajas frecuencias (5... 50 Khz. según el material y la forma). No es imprescindible que se utilicen circuitos electrónicos de adaptación de la señal en el mismo sensor. Figura 4.2: Sensor inductivo en anillo de cortocircuito. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 32 A este potenciómetro se lo alimenta con una tensión de referencia, la cual generalmente es de 5 Voltios, provenientes de un regulador de voltaje del mismo computador. Cuando la mariposa de aceleración se encuentra en su posición de reposo, la cantidad de tensión que se envía como señal será de unas cuantas décimas de voltio y esta señal se irá incrementando paulatinamente, de acuerdo al incremento en el movimiento de la mariposa, hasta llegar al tope de la escala, la cual nos dará un valor cercano a los 5 Voltios de la referencia. Esta señal variable de tensión eléctrica se dirige de regreso al computador, el cual identifica esta tensión como una posición exacta de la mariposa de aceleración. Adicionalmente algunos sistemas tienen un interruptor que conecta dos contactos en la posición de reposo de la mariposa, los cuales pueden estar alojados en el mismo cuerpo del potenciómetro; este interruptor sirve como una señal adiciona para que el computador determine la desaceleración del motor, lo cual sirve para que se corte el envío de combustible hacia los inyectores en esta etapa, reduciendo enormemente el consumo de combustible del motor. La conexión del cursor se efectúa generalmente a través de una segunda pista de contacto de igual superficie, que tiene debajo una capa de material conductor de baja impedancia. Figura 4.7:Dos funciones de transferencia de un sensor de mariposa. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 33 Como protección contra sobrecargas, está aplicada la tensión a la pista de medición a través de pequeñas resistencias en serie que también se4 usan para el calibrado del punto cero y de la inclinación de la característica como anteriormente se ha mencionado. Una variación del ancho de la pista de medición, incluso en secciones repercute en la forma de la curva característica. Figura 4.8: Circuito eléctrico típico de un sensor de mariposa. Figura 4.9:Esquema de un sensor de mariposa. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 34 4.3.3. Sensores de anillos de cortocircuito semidiferencial Aplicación Los sensores de anillos de cortocircuito semidiferencial (sensores inductivos) son sensores de posición para la detección de recorridos o ángulos. Estos sensores, llamados también transmisores de cortocircuito semidiferencial, son muy precisos y robustos. Se emplean como: • Sensor del recorrido de regulación para detectar la posición de la varilla de regulación de las bombas de inyección diesel en línea. • Sensor de ángulo en el mecanismo de control de caudal de las bombas rotativas de inyección diesel. Estructura y funcionamiento Los sensores consisten en un núcleo de hierro dulce formado por chapas. En sendos brazos del núcleo hay fijadas una bobina de medición y una bobina de referencia. Cuando fluye corriente alterna a través de las bobinas procedentes de la unidad de control, se generan campos magnéticos alternativos. Los anillos de cortocircuito de cobre que encierran el brazo respectivo del núcleo de hierro dulce protegen estos campos magnéticos. El anillo de cortocircuito de referencia está fijo, mientras que el anillo de cortocircuito de medición está sujeto a la varilla de regulación o al árbol de la corredera de regulación (recorrido de regulación "s" o ángulo de variación "a"). Figura 4.10:Esquema de sensor de anillo en cortocircuito para medir recorrido SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 35 Figura 4.11:Grafica que muestra función de transferencia del sensor. Con el desplazamiento del anillo de medición se modifica el flujo magnético y con él la tensión en la bobina, ya que la unidad de control mantiene la corriente constante. Un circuito de evaluación conforma la relación entre tensión de salida UA y tensión de referencia URef. Esta relación es proporcional a la desviación del anillo de medición y puede ser evaluada por la unidad de control. La pendiente de esta curva característica se puede ajustar combando el anillo de referencia, y el punto cero, mediante la posición normal del anillo de medición. Figura 4.12:Esquema sensor de posición del regulador de caudal de inyección. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 36 En la figura inferior tenemos un ejemplo de la aplicación de este tipo de sensores, el sensor de posición en las bombas electrónicas rotativas de inyección Diesel es un transductor inductivo sin contactos, conocido como HDK o anillo semidiferencial. Esta constituido por una bobina circundada por un núcleo de hierro móvil, que se encuentra unido al eje del servomotor. Al lado del sensor de posición se encuentra el sensor de temperatura de combustible dentro de la bomba de inyección. Figura 4.13:Esquema sensor anillo cortocircuito para bombas rotativas diesel. Figura 4.14: Esquema de ubicación del sensor de anillo en cortocircuito. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 37 4.3.4. Sensor de nivel de combustible Aplicación La tarea de este sensor es detectar el nivel actual de llenado del depósito de combustible y transmitir una señal correspondiente a la unidad de control y/o al instrumento indicador en el cuadro de instrumentos del vehículo. Junto con la electro bomba de combustible, el filtro de combustible, etc., este sensor constituye una parte integrante de las unidades que están montadas en los depósitos de gasolina o gasóleo y aseguran la alimentación fiable del motor. Figura 4.15:Esquema de ubicación del sensor de nivel de combustible. Estructura El sensor de nivel consta de un potenciómetro encapsulado estanco al combustible y conectado en forma de resistencia variable, un brazo cursor, conductores impresos, una placa porta resistencias y conexiones eléctricas. La palanca en cuyo extremo se encuentra el flotador (orientable o fijo, en función de la aplicación) de nitró filo resistente al combustible, está fijada en el eje giratorio del potenciómetro y, por tanto, también en el resorte cursor. El diseño de la placa porta resistencias y la forma del flotador y de su palanca están adaptados a la conformación respectiva del depósito de combustible. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 38 Figura 4.16: Esquema de sensor de nivel de combustible. Funcionamiento Al variar el nivel de combustible, el brazo detector, fijamente unido a través del pivote con la palanca del flotador, se desliza con sus cursores especiales (remaches chapeados para contactos) a lo largo de las pistas resistivas del potenciómetro doble. Entonces transforma el ángulo de giro del flotador en una relación de tensiones proporcional al ángulo. Unos topes de fin de carrera limitan el margen angular de 100° para los niveles mínimo y máximo. La tensión de funcionamiento es de 5...13 V. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 39 4.3.5. Sensores de pedal acelerador Aplicación El deseo de aceleración, de marcha constante o de reducir la velocidad lo manifiesta el conductor en un motor de mando convencional accionando con el pedal acelerador la válvula de mariposa del motor de gasolina o la bomba de inyección del motor Diesel, mecánicamente a través de un cable o un varillaje. Cuando el motor está equipado con un sistema de mando electrónico, un sensor de pedal acelerador, también llamado transmisor de posición del pedal que realiza la función de la unión mecánica. El detecta el recorrido o la posición angular del pedal y lo transmite eléctricamente a la unidad de control del motor. Como alternativa al sensor individual, existen también módulos de acelerador como unidades listas para el montaje, compuestas de pedal y sensor en el mismo conjunto. Estos módulos no requieren trabajos de ajuste en el vehículo. Figura 4.17:Diferentes formas de construcción del sensor de pedal de acelerador. Estructura y funcionamiento Sensor potenciométrico de pedal acelerador Su componente principal es un potenciómetro en el que se ajusta una tensión en función de la posición del acelerador.Con ayuda de una curva característica de sensor almacenada, la unidad de control convierte esta tensión en el recorrido relativo o posición angular del acelerador. Para fines de diagnosis y para el caso de un funcionamiento irregular hay integrado un sensor redundante doble. Este es parte integrante del sistema de control. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 40 Una versión del sensor trabaja con un segundo potenciómetro que en todos los puntos de servicio suministra siempre la mitad de la tensión del primer potenciómetro, a fin de recibir dos señales independientes para la identificación de defectos. Otra versión trabaja, en lugar del segundo potenciómetro, con un interruptor de ralentí que señala a la unidad de control la posición de ralentí del pedal acelerador. Para vehículos con cambio automático, un interruptor adicional puede generar una señal eléctrica de sobre gas. Figura 4.18:Función de transferencia de sensor de pedal acelerador. Sensores de ángulo Hall El sensor de ángulo Hall del tipo ARS1 (Angulo de Rotación del Sensor) está derivado del principio básico de "imán móvil". Tiene un alcance de medición de aproximadamente. 90°. El flujo magnético de un rotor, constituido por un disco semicircular de magnetismo remanente, es reconducido al rotor a través de una zapata polar, pieza conductora y el eje. Según la posición angular, el flujo es conducido en mayor o menor medida a través de los dos conductos de flujo, en cuyo circuito magnético se encuentra también el sensor Hall. Así se consigue una característica considerablemente lineal en el campo de medición. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 41 Figura 4.19:Esquema de despiece de un sensor de ángulo Hall. Figura 4.20:Esquema de funcionamiento de un sensor de ángulo Hall. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 48 Figura 4.27:Esquema de la sección de un sensor ultrasónico. Funcionamiento El sensor ultrasónico funciona según el principio "impulso-eco" en combinación con la "triangulación". Cuando recibe de la unidad de control un impulso digital de emisión, el circuito electrónico excita la membrana de aluminio mediante impulsos rectangulares dentro de la frecuencia de resonancia para generar vibraciones típicas de aproximadamente 300 microsegundos (µs), emitiéndose entonces ondas ultrasónicas: la onda sonora reflejada por el obstáculo hace vibrar a su vez la membrana, que entretanto se había estabilizado durante el período de extinción de 900 µs no es posible ninguna recepción. La piezocerámica convierte estas vibraciones en una señal eléctrica analógica, que la electrónica del sensor amplifica y transforma en una señal digital. El sensor tiene prioridad frente a la unidad de control y, al detectar una señal de eco, conmuta la conexión de la señal a bajo potencial (<0,5 V). Si se encuentra una señal de eco en la línea, no se puede procesar la señal de emisión. Cuando la tensión se vuelve inferior al umbral de conmutación de 1,5 V en la línea de señales, la unidad de control incita al sensor a que realice la emisión. A fin de poder cubrir una zona lo más extensa posible, el ángulo de detección es grande en el plano horizontal. En el plano vertical, por el contrario, es necesario que el ángulo sea pequeño, para evitar reflexiones perturbadoras procedentes del suelo. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 49 Figura 4.28:Diagrama de bloques de la lógica de control de un sensor ultrasónico. La distancia "a" que hay hasta el primer obstáculo más cercano se calcula a partir del tiempo de propagación del primer impulso de eco llegado y de la velocidad del sonido. Figura 4.29:Calculo ultrasónico de distancias a un obstáculo. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 50 4.3.9. Sensores electromagnéticos (radar) El radar lo consideramos como un sensor, pues mide la distancia, la velocidad relativa y la posición lateral de los vehículos que marchan delante. Para ello el radar (Radiation Detecting and Ranging) emite paquetes de ondas milimétricas. Para su empleo en la circulación por las principales marcas de automóviles se ha autorizado la banda de frecuencias de 76 a 77 Ghz (longitud onda= 4mm). Los paquetes de ondas emitidos son reflejados por las superficies de metal o material de alta dielectricidad y son detectados de nuevo por el módulo receptor del radar. La duración y/o frecuencia de las señales recibidas es comparada con la de las señales emitidas. A fin de que la comparación pueda ser utilizada para las interpretaciones deseadas, el paquete de ondas que ha de ser emitido es conformado en función del transcurso frecuencia-tiempo. Los modos más conocidos son la modulación de impulsos, en la que se forman impulsos de una dimensión de 10...30ns, lo que corresponde a una longitud de 3...10 m, y la modulación de frecuencia, que en el momento de la emisión varía la frecuencia momentánea de las ondas en función del tiempo. Figura 4.30: Esquema de ubicación de un sensor ultrasónico. La señal recibida ha de ser remodulada para que pueda suministrar la información deseada. Si se trata de una señal de modulación de impulsos, se mide el tiempo transcurrido y entre la emisión y la recepción puede ser determinada a partir de esta diferencia de tiempo y en relación con la velocidad de la luz "c" 300.000 Km. /s. d = t. c/2 El divisor 2 tiene en cuenta el recorrido de ida y vuelta de la señal Si se trata de la modulación de frecuencia, la variación de la frecuencia tiene lugar durante la emisión. En caso de variación lineal, la señal de impacto retardada en función del tiempo de recorrido presenta, en comparación con la señal actual emitida, una diferencia de frecuencia que es proporcional a la distancia. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 51 Si bien la velocidad relativa del objeto de medición se puede determinar a partir de mediciones sucesivas de la distancia, este parámetro se puede medir con una fiabilidad y precisión considerablemente mayores utilizando el efecto Doppler. En caso de un acercamiento aumenta la frecuencia de las ondas recibidas en 510 Hz por m/s de velocidad relativa (a 76 Ghz). La posición lateral del objeto del radar constituye la tercera dimensión de base buscada. Esta sólo puede ser determinada si el haz del radar es dirigido en diferentes direcciones; partiendo de la intensidad de la señal, se determina la dirección que ofrece la reflexión más fuerte. Para ello es necesario un rápido barrido mediante un haz o una configuración multihaz, con varias antenas. Estructura y funcionamiento La frecuencia de trabajo de 76 Ghz con longitud de onda de aproximada de 3,8 mm, esto hace posible una construcción compacta, requerida para el empleo en vehículos. Un oscilador Gunn, alimenta en paralelo tres antenas patch dispuestas en yuxtaposición, que sirven al mismo tiempo para la recepción de las señales reflejadas. Una lente de plástico colocada delante (lente de Fresnel) concentra el haz de rayos de emisión dentro de una ventana angular de ±5° en el plano horizontal y de ±1,5° en el vertical, referida al eje del vehículo. Por el desplazamiento lateral de las antenas, la característica de recepción de éstas (ancho de 6-dB : 4°) señala en diferentes direcciones. Además de la distancia de los vehículos que marchan delante y de su velocidad relativa, se puede averiguar de ese modo también la dirección en la que son detectados. Unos acopladores direccionales separan las señales emitidas de las señales recibidas. Tres mezcladores conectados transponen la frecuencia de recepción en bajas frecuencias casi hasta el cero (0..300 Khz.), mediante su mezcla con la frecuencia de emisión. Las señales de baja frecuencia son digitalizadas para su posterior evaluación y sometidas a un rápido análisis de Fourier para determinar la frecuencia. La frecuencia del oscilador Gunn se compara continuamente con la de un oscilador estable de referencia DRO (Dielectric Resonance Oscillator), siendo regulada a un valor teórico prefijado. A la vez se varía la tensión de alimentación del diodo Gunn, hasta que corresponde de nuevo al valor teórico. Para la medición, a través de este bucle de regulación se aumenta y reduce brevemente la frecuencia del oscilador Gunn cada 100ms alrededor de 300 Mhz en forma de dientes de sierra (FMCW Frequency Modulated Continuous Wave). SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 52 La señal reflejada en un vehículo que marcha delante sufre un retardo relacionado con el tiempo de propagación de la onda que se traduce en una disminución de la frecuencia en el flanco ascendente y un aumento igual de la frecuencia en el flanco descendente. La diferencia de frecuencia es directamente proporcional a la distancia. Si los dos vehículos señalados no marchan a la misma velocidad, la frecuencia de recepción aumenta entonces por razón del efecto Doppler, tanto en el flanco ascendente como en el descendente. Figura 4.31: Diagrama de bloques de un sensor ultrasónico. 4.3.10. Regulador inteligente de velocidad de marcha ACC Aplicación Este radar regulador de la distancia es mucho más que un sensor. Pues además de determinar la distancia, la velocidad relativa y la posición lateral de vehículos que marchan delante, realiza un procesamiento subsiguiente muy complejo que termina con instrucciones de regulación para el motor y los frenos. Las funciones de este aparato exceden a una simple regulación de la distancia y se extienden a una regulación inteligente de la velocidad de marcha ACC. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 53 Estructura y funcionamiento Una de las funciones de base es en primer lugar la regulación convencional de la velocidad de marcha, con la que se mantiene constante, una vez ajustada, la velocidad de marcha deseada. Esta función permanece activa mientras no se detecte ningún vehículo precedente cuya velocidad sea inferior a la velocidad deseada ajustada por el conductor. Pero cuando en la zona de detección del radar (aprox. 100 a 150 m) se descubre un vehículo que impide seguir la marcha con la velocidad deseada, ésta adapta entonces a la velocidad del vehículo que precede. Si las diferencias de velocidad son ligeras, ello se puede realizar simplemente reduciendo la admisión de gas; si las diferencias son de mayor importancia, se hace necesaria una intervención en los frenos. Una vez se ha compensado la velocidad, el vehículo equipado con ACC sigue al vehículo precedente con un intervalo de tiempo ampliamente constante, es decir, con una distancia que aumenta también la velocidad. La dificultad técnica mayor para el procesamiento de las señales dentro de la ACC-SCU la depara la elección del vehículo objetivo correcto. Se trata en primer lugar de reconocer, entre las muchas reflexiones del radar, aquéllas que proceden de los vehículos precedentes ya detectados. Luego hay que apreciar si esos vehículos marchan realmente en el mismo carril, lo que particularmente antes de las curvas y durante ellas no es fácil de evaluar, si bien los sensores del sistema de control electrónico de la estabilidad ESP para la regulación de la dinámica de marcha suministran importantes magnitudes comparativas. Ejemplos de sensores de anillo de cortocircuito • Sensores del recorrido de regulación para detectar la posición de la varilla de regulación de las bombas de inyección Diesel en línea • Sensor de ángulo en el mecanismo de control de caudal de las bombas rotativas de inyección Diesel. Un ejemplo: actual de utilización son los sensores de aparcamiento de, Estos son unos sensores de ultrasonidos de un diámetro de 19mm... Los sensores de tercera generación utilizan la más avanzada tecnología de sensibilidad asimétrica... El micro sensor tiene una capacidad de detección muy amplia, abarcando un ángulo de 160ª horizontalmente y 60º verticalmente. Esta avanzada tecnología aumenta la capacidad de detección en un 100% comparado con otros sistemas convencionales. El minúsculo tamaño de los sensores, permite la instalación en todos los coches, ya que pueden ser pintados con spray para conservar la imagen original del vehículo. Este dispositivo consta, de dos o cuatro sensores de ultrasonidos, a elección del cliente, que son instalados en el parachoques trasero. El sistema únicamente se activará cuando este activada la marcha atrás, indicado por un suave sonido. La frecuencia del tono indicara al conductor de la cercanía de algún objeto, y la distancia hasta el vehículo. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 54 Figura 4.32:Diagrama de bloques del regulador de velocidad de marcha ACC. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 55 5. SENSORES DE VELOCIDAD DE (ROTACIÓN/VELOCIDAD LINEAL) 5.1. Descripción general Los sensores de velocidad de rotación y de velocidad lineal miden el ángulo descrito o el espacio recorrido por unidad de tiempo. En ambos casos de aplicación, en el automóvil se trata generalmente de magnitudes de medición relativas que aparecen entre dos piezas o también en relación con la calzada u otro vehículo. En algunos casos, sin embargo, hay que medir también la velocidad de rotación absoluta en el espacio o alrededor de los ejes del vehículo para determinar el giro sobre si mismo y el vuelco, parámetro designado a menudo como velocidad de convolución. Para la detección de la velocidad de rotación relativa se hace una distinción de los sensores, según el número y el tamaño de las marcas periféricas exploradas de un rotor. • Sensor incremental de paso estrecho Permite detectar hasta cierto grado, la velocidad instantánea periférica con una subdivisión angular muy fina. • Sensor segmentado Distingue un pequeño número de segmentos periféricos. • Sensor de velocidad de rotación Con la ayuda de una sola marca detecta únicamente la velocidad de rotación media por vuelta. Son ejemplos de velocidad de rotación relativa: • Velocidad de rotación del cigüeñal y del árbol de levas, • Velocidad de giro de las ruedas (para ABS/ASR/ESP) • Velocidad de rotación de la bomba de inyección diesel. La medición se efectúa generalmente con la ayuda de un sistema detector incremental, compuesto de una rueda dentada y de un sensor tacometrito. Son además de nuevas aplicaciones: • La medición de velocidades de rotación por medio de sensores tacometritos integrados en los cojinetes. • Velocidad en relación con el suelo. • Velocidad de giro del vehículo alrededor de su eje longitudinal y del eje de cabeceo. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 56 5.2. Principios de medición Los sensores tacometritos convencionales se basan en efectos de medición grandes, por ejemplo la inducción. Por eso son en la mayoría de los casos eléctricamente pasivos, es decir, no poseen generalmente ninguna electrónica integrada. Los sensores más recientes se basan en efectos de medición muy pequeños, por ejemplo los basados en el efecto Hall y requieren por tanto una electrónica integrada. Estos sensores se denominan inteligentes, llamados a menudo también sensores activos. Los detectores de velocidades de rotación absolutas requieren incluso una electrónica muy compleja directamente en el sensor, pues los efectos de medición aquí utilizados no sólo son muy pequeños, sino que necesitan también una compleja regeneración de las señales. Dentro de los sensores de velocidad podemos encontrar: • Sensores inductivos • Sensores magneto estáticos (efecto Hall). • Sensores de convolución. 5.2.1. Sensores inductivos Los sensores inductivos de bobina estaban ya disponibles para la medición de velocidades de rotación cuando no existía aún ninguna versión en absoluto o todavía no había adecuada tecnología magneto estática (efecto Hall). Los sensores inductivos de velocidad de rotación constan en principio de tres componentes magnéticos esenciales: • Bobina fija • Pieza de hierro dulce • Imán permanente Los sensores inductivos actuales están constituidos preferentemente por un imán de barra con espiga polar de hierro dulce que soporta la bobina de inducción. Cuando gira una corona dentada ferromagnética u otro rotor de estructura similar por delante de este detector, se induce en la bobina una tensión proporcional, casi sinusoidal a la variación del flujo magnético. Los sensores inductivos son siempre, sensores dinámicos. En principio no son apropiados para detectar velocidades extremamente lentas, pues su señal de salida tiende entonces a ser cero. Para que la unidad de control pueda efectuar una evaluación segura y fiable, la tensión generada por el sensor debería ser de 30mV como mínimo. La desventaja de los sensores inductivos, reside en el hecho de que su tensión de salida puede tener a grandes velocidades valores muy altos, superiores en mucho a 100 V, que son difíciles de procesar por vía electrónica. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 57 Si las altas puntas de tensión son recortadas con la ayuda de diodos Zener, se producen considerables errores angulares a causa de la variación consecutiva de la impedancia de carga del sensor. Eso puede ser muy desfavorable por lo menos en el caso de los sensores angulares de cigüeñal y de árbol de levas, que participan en la regulación del avance del encendido. Para estas aplicaciones se requiere una tolerancia angular de un 0,2 °. Las coronas dentadas montadas en los cigüeñales y las ruedas (ABS) están previstas para cubrir entrehierros de hasta 0,8 o 1,5mm. La marca de referencia necesaria para el encendido se obtiene suprimiendo un diente o llenando un hueco entre dientes. Se identifica por la mayor distancia de los pasajes por cero y genera una tensión de señal mucho más alta. Ventajas de los sensores inductivos • Bajos costes de fabricación. • Alta estabilidad a perturbaciones: baja resistencia interna estática, ninguna electrónica local que haya de ser protegida. • Ningún problema en caso de derivas de la tensión continúa. • Amplio margen de temperaturas. Desventajas de los sensores inductivos • Límites de reducción del tamaño constructivo, caso de bobina. • Señal dependiente de la velocidad de rotación, (no movimientos casi estáticos). • Sensibilidad a variaciones del entrehierro. Ejemplos de aplicación de sensores inductivos • Sensor inductivo de la velocidad de rotación del motor (sensor de revoluciones del cigüeñal). • Sensor de movimiento de aguja (inyección diesel). • Sensor inductivo de la velocidad de rotación del árbol de levas (encendido transistorizado de detector inductivo TZ-I). • Sensor inductivo de la velocidad de giro de rueda. 5.2.2. Sensores magneto estáticos La detección casi estática de la velocidad de rotación se puede realizar con eficacia mediante sensores magneto estáticos. Su señal de salida independiente de la velocidad de rotación y únicamente dependiente del campo magnético facilita y simplifica, incluso en el caso de velocidades elevadas, el tratamiento electrónico de tensiones de señales de valores limitados. Ofrecen además una posibilidad de miniaturización del sensor y la ventaja de tener integrados la amplificación y el tratamiento de las señales en ellos mismos. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 64 Figura 5.6:Respuesta en tensión de un sensor de movimiento de aguja. 5.3.3. Sensor para encendido transistorizado (inductivo) Aplicación Este sensor inductivo es un disparador de impulsos para el encendido transitorizado TZ-I, acción que realiza un generador eléctrico de corriente alterna. El punto de conexión del ángulo de cierre se determina por comparación de la señal de tensión alterna del sensor con una señal de tensión correspondiente al tiempo de regulación de la corriente. Estructura El sensor inductivo está alojado en la caja del distribuidor de encendido, en el lugar que ocupaba el anterior ruptor convencional. El núcleo magnético dulce del arrollamiento de inducción tiene la forma de un disco, llamado disco polar. El imán permanente, el arrollamiento de inducción y el núcleo del sensor inductivo forman una unidad compacta. El estator esta ubicado frente a esta unidad. La rueda generadora de impulsos, llamada rotor y fijamente unida al árbol del distribuidor gira. El rotor, comparable a la leva de encendido del ruptor, está fijado sobre el árbol hueco que rodea el árbol del distribuidor. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 65 El núcleo y el rotor son de acero magnético dulce y tienen prolongaciones en forma de dientes. El disco polar o núcleo tiene en el lado exterior dientes estatóricos doblados en ángulo recto hacia arriba. Conforme a ello, el rotor tiene dientes doblados hacia abajo. El número de dientes del rotor y del disco polar corresponde generalmente al número de cilindros del motor. Cuando están frente a frente, los dientes fijos y los dientes móviles están distanciados unos de otros aproximadamente 0,5mm. Figura 5.7:Esquema sensor del tipo inductivo. Figura 5.8:Generador de impulsos para ser detectado por sensor inductivo. Funcionamiento El principio de funcionamiento se basa en el hecho de que el entrehierro, entre los dientes del rotor y del estator varía periódicamente al girar el rotor y con él. Lo hace el flujo magnético. La variación del flujo induce una tensión alterna en el arrollamiento de inducción. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 66 La tensión de cresta ± Us es entonces proporcional a la velocidad de rotación: aprox. 0,5 V a baja velocidad y de 100 V a alta velocidad. La frecuencia de esta tensión alterna corresponde al número de chispas de encendido por minuto, Figura 5.9:Esquema de un distribuidor con generador de impulsos inductivo. 5.3.4. Sensores de velocidad de giro de las ruedas (inductivo) Aplicaciones De las señales de los sensores de velocidad de giro de las ruedas las unidades de control de los sistemas ABS, ASR y ESP derivan la velocidad de rotación de las ruedas, para impedir el bloqueo o el patinaje de las ruedas y asegurar así la estabilidad y dirección del vehículo. A partir de estas señales, los sistemas de navegación calculan la distancia recorrida. Estructura y funcionamiento Sensor de velocidad de rotación pasivo de tipo inductivo donde la espiga polar del sensor de velocidad de rotación, que está rodeada de un arrollamiento, se encuentra directamente sobre la corona generadora de impulsos, fijamente unida con el cubo de rueda. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 67 La espiga polar de magnetismo dulce está unida con un imán permanente, cuyo campo magnético llega hasta la corona generadora de impulsos, penetrando en ella. A causa de la alternancia permanente entre los dientes y los entre dientes, el giro de la rueda ocasiona la variación del flujo magnético dentro de la espiga polar y, por consiguiente, también dentro del arrollamiento que la rodea. La variación del campo magnético induce en el arrollamiento una tensión alterna, que se toma en cada extremo del bobinado. Tanto la frecuencia como la amplitud de la tensión alterna son proporcionales a la velocidad de giro de la rueda. Cuando la rueda está parada, la tensión inducida es igual a cero. La velocidad mínima mensurable depende de la forma de los dientes, del entrehierro, de la pendiente de la subida de tensión y de la sensibilidad de entrada de la unidad de control; partiendo de este parámetro se puede conocer la velocidad mínima de conexión alcanzable para la aplicación del ABS. El sensor de velocidad de giro y la rueda de impulsión están separados por un entrehierro de aproximadamente 1mm con estrechas tolerancias, para garantizar una detección eficaz de las señales. Además, una fijación firme del sensor de velocidad de giro impide que sus señales sean alteradas por vibraciones procedentes del freno de rueda. Como las condiciones de montaje en la zona de la rueda no son siempre idénticas, existen diferentes formas de la espiga polar y distintos modos de montaje. La más difundida es la espiga polar en forma de cincel, llamada también polo plano, para montaje radial, perpendicular a la corona generadora de impulsos. La espiga polar en forma de rombo, llamada también polo en cruz, para montaje axial, se encuentra en posición radial respecto a la corona generadora de impulsos. Los dos tipos de espiga polar han de estar exactamente ajustados a la corona generadora de impulsos en su montaje. La espiga polar redonda no exige una alineación exacta con la corona generadora de impulsos; ésta, sin embargo, ha de tener un diámetro suficientemente grande o un número reducido de dientes. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 68 Figura 5.10:Formas y modos de montaje para espiga polar, Sensores magneto estáticos 5.3.5. Sensores de ángulo de giro (efecto Hall) Aplicación Estos sensores están montados en las bombas rotativas de inyección Diesel de mando por electroválvulas de alta presión. Su señal se emplea para: • Medir el número de revoluciones actual de la bomba rotativa. • Determinar la posición del ángulo de las levas del motor • Medir la posición de regulación momentánea del variador de avance. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 69 Figura 5.11: Catalogo Bosch con ubicación del sensor magnético de revoluciones. El número de revoluciones actual de la bomba es una de las magnitudes de entrada para la unidad de control de ésta. La unidad determina así el tiempo de activación de la válvula de alta presión y, dado el caso, de la válvula del variador de avance. El tiempo de activación de la válvula de alta presión es necesario para adaptar el caudal de inyección teórico a las condiciones de servicio presentes en ese momento. La posición del ángulo en el instante determina los momentos de activación para la válvula de alta presión. Sólo con una activación correcta respecto al ángulo se garantiza que tanto el cierre como la apertura de la válvula de: alta presión tengan lugar en la carrera de leva correspondiente. La activación exacta asegura el comienzo y el caudal de inyección correctos. La posición necesaria para la regulación del variador del avance se determina comparando las señales del sensor de revoluciones del cigüeñal con las del sensor del ángulo de giro. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 70 Figura 5.12:Esquema de ubicación de sensor de revoluciones. Estructura y funcionamiento El sensor de revoluciones o sensor de ángulo de giro explora un disco-rueda de impulsos que tiene 120 dientes y está montado sobre el eje de accionamiento de la bomba rotativa. El disco-rueda tiene repartidos uniformemente en su perímetro, huecos entre dientes, cuyo número corresponde al número de cilindros del motor. El sensor empleado es un sensor doble diferencial de células resistivas. Estas son resistencias de semiconductor mandadas por campo magnético; su estructura es similar a la de los sensores Hall. Las cuatro resistencias del sensor doble diferencial están conectadas eléctricamente como puente integral. El sensor tiene un imán permanente cuya cara polar dirigida al disco-rueda de impulsos es homogeneizada por una delgada plaquita ferromagnética. Sobre ella están fijas las cuatro magnetorresistencias a media distancia de la existente entre dientes. De este modo se encuentran siempre alternadas dos resistencias frente a huecos y dos frente a dientes. Las células magneto resistivas para automóviles soportan temperaturas de hasta < 170° C y por breve período hasta <200 ° C. Figura 5.13:Esquema de sensor doble diferencial SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 71 Sensores de velocidad en el árbol de levas (efecto Hall) Aplicación El árbol de levas está desmultiplicado en una relación de 1:2 respecto al cigüeñal. Su posición indica si un pistón del motor que se mueve hacia el punto muerto superior se encuentra en el tiempo de compresión o en el de escape. El sensor de fase junto al árbol de levas, también llamado transmisor de fase suministra esta información a la unidad de control. Figura 5.14:Fotografía de sensores de velocidad de efecto Hall. Estructura y funcionamiento Sensores de barra Hall Los sensores de barra Hall aprovechan el efecto Hall: con el árbol de levas gira un rotor de material ferromagnético. El circuito integrado Hall se encuentra entre el rotor y un imán permanente que proporciona un campo magnético perpendicular al elemento Hall. Cuando pasa un diente (Z) por delante del elemento sensor atravesado por corriente del sensor de barra, varía él la intensidad del campo magnético perpendicularmente al elemento Hall. Por tanto, los electrones impulsados por el componente longitudinal de una tensión aplicada al elemento, son desviados en mayor grado perpendicularmente al sentido de la corriente. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 72 Figura 5.15:Esquema de sensor de barra Hall. De este modo se genera una señal de tensión Hall, en un margen de milivoltios, independiente de la velocidad relativa entre el sensor y la rueda de impulsos. El sistema electrónico evaluador incorporado en el circuito integrado Hall del sensor prepara la señal y la entrega como una señal de salida rectangular. Figura 5.16:Esquema de funcionamiento de sensor de barra Hall. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 73 Sensores de barrera Hall diferenciales Los sensores de barra que trabajan según el principio diferencial disponen de dos elementos Hall desplazados en los sentidos radial y axial en el espacio. Éstos suministran una señal de salida proporcional a la diferencia de la densidad de flujo entre los dos puntos de medición. Para ello es necesario, sin embargo, un diafragma con aberturas de doble vía o una rueda de impulsos de doble vía para poder generar una señal opuesta en ambos elementos Hall. Estos sensores se emplean cuando las exigencias de precisión son muy elevadas lo que constituye otra ventaja es el mayor entrehierro y una buena compensación de la temperatura. Figura 5.17:Diferentes tipos de sensores de barra Hall según la detección. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 80 Funcionamiento Al aplicarse una tensión, los piezo-elementos inferiores comienzan a vibrar y excitan a su vez los piezo-elementos en los extremos superiores del diapasón, haciendo que generen vibraciones de fase opuesta. • Marcha en línea recta Al marchar en línea recta, ninguna aceleración de Coriolis actúa sobre el diapasón. Como los piezo-elementos superiores vibran siempre en fase opuesta y sólo son sensitivos perpendicularmente al sentido de las vibraciones, no generan ninguna tensión. • Marcha por una curva La aceleración de Coriolis, que se manifiesta cuando tiene lugar un movimiento de giro en unión con el movimiento vibratorio, se aprovecha para la medición en la curva. El movimiento de giro ocasiona entonces el desplazamiento de las zonas superiores del diapasón fuera del plano de vibración, a causa de ello se origina en los piezo-elementos superiores una tensión eléctrica alterna, que llega a la centralita del control de estabilidad a través de una electrónica integrada en la caja del sensor. La amplitud de la señal de tensión depende tanto de la velocidad de giro como de la velocidad de vibración. Figura 5.24:Esquema funcionamiento de sensor de convolución con diapasón. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 81 Sensores de convolución piezoeléctricos Aplicación Se trata de otro modelo de sensor de viraje o de velocidad de viraje. Figura 5.25:Sensor piezoeléctrico de viraje. Estructura y funcionamiento Los sensores de convolución piezoeléctricos son detectores mecánicos de precisión. Un cilindro metálico hueco oscilatorio es excitado al oscilar y es mantenido en resonancia en sentido radial por dos cerámicas piezoeléctricas, diametralmente opuestas y fijadas en el cilindro. Un segundo par de cerámicas piezoeléctricas, desplazado 90° del primero, estabiliza la oscilación a una amplitud constante. Esta amplitud presenta cuatro nudos de oscilación alineados en sentido axial y desplazados 45° del sentido de excitación. Al girar a la velocidad de convolución alrededor del eje del cilindro, los nudos se desplazan ligeramente en la periferia por el efecto de la aceleración de Coriolis. En esos nudos que, normalmente están libres de fuerza, aparecen entonces unas fuerzas proporcionales a la velocidad de rotación, que son detectadas por un tercer par de cerámicas piezoeléctricas. Un cuarto par de excitación y un bucle cerrado de regulación reducen la tensión resultante a un valor de referencia de 0V. La magnitud de ajuste necesaria para ello sirve, tras un esmerado filtrado realizado por un rectificador de sincronización de fases, como señal de salida extremamente precisa. Mediante una encauzada variación provisional del valor teórico a 0V, se puede comprobar fácilmente el sistema total del sensor. La derivación térmica de este sensor requiere la existencia de un complejo circuito de compensación. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 82 La inevitable alteración con el tiempo de las características del material de los elementos piezoeléctricos obliga además a realizar un envejecimiento prematuro esmerado. Figura 5.26:Esquema de funcionamiento de sensor de convolución piezoeléctrico. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 83 6. SENSORES DE ACELERACIÓN Y DE VIBRACIONES 6.1. Descripción general Los sensores de aceleración y de vibraciones son apropiados para la regulación contra la detonación en motores de combustión interna, también sirven para activar sistemas de protección de los pasajeros (airbag, tensores de cinturón, arco contra el vuelco) y para detectar aceleraciones en las curvas y variaciones de velocidad en vehículos de tracción integral equipados con el sistema antibloqueo ABS o el programa electrónico de estabilidad ESP, o con un sistema de regulación del tren de rodaje. La magnitud de medición es la aceleración, que con frecuencia se indica como múltiple de la aceleración de la gravedad (1g = 9,81 m/s2) para valores típicos de los automóviles. Figura 6.1:Medidas de aceleración y rango de medida. 6.2. Principios de medición Todos los sensores de aceleración miden en principio, con arreglo a la ley fundamental de la mecánica, las fuerzas F, ejercidas por la aceleración "a" sobre las masas "m", sea ya de modo únicamente dinámico o también estático: F = m • a Como en el caso de medición de una fuerza, existen sensores que miden un desplazamiento y otros que miden esfuerzos mecánicos. El encapsulamiento en estos sensores tiene una importancia decisiva para la calidad de la detección. En su función de sensores de inercia detectan la magnitud de medición sin la menor comunicación con el exterior; puede encapsularse pues fácilmente de modo hermético. Sensores de aceleración y de vibraciones Aplicación Campo de medición Regulación contra la detonación 1....10g Protección de los pasajeros - Airbag, tensor de cinturón - Arco contra el vuelco - Bloqueador de cinturón 50g 4g 0,4g ABS, ESP 0,8g.....1.2g Regulación del tren de rodaje: - Carrocería - Eje 1g 10g SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 84 Han de disponer, sin embargo, de medios apropiados para un acoplamiento mecánico lo mas rígido posible al cuerpo a medir, pues elementos intermedios adicionales elásticos o sueltos alterarían considerablemente la medición. Este acoplamiento rígido y fijo no debe dar lugar, sin embargo, a que las posibles dilataciones térmicas del cuerpo a medir se transmitan al sensor, lo que podría influir en el valor medido. Hay que tener en cuenta que los sensores piezoeléctricos tienen una alta resistencia interior, es recomendable instalar un primer amplificador desacoplador directamente junto al sensor, a ser posible incluso dentro de una caja hermética común, para detectar la tensión de salida. Largos cables de alimentación alteran la señal, tanto por su capacidad parásita (divisor de tensión) como por su resistencia efectiva parásita. Ejemplo de sensores de aceleración: • Sensores de aceleración de efecto Hall. • Sensores de aceleración micro mecánicos • Sensores de aceleración piezoeléctricos 6.3. Tipos de sensores de aceleración 6.3.1. Sensores de aceleración de efecto Hall Aplicación Los vehículos equipados con el sistema antibloqueo ABS, el control de tracción ASR, una tracción integral o con el programa electrónico de estabilidad ESP disponen además de: • Sensores de velocidad de giro de las ruedas • Sensor de aceleración de efecto Hall para la medición de las aceleraciones longitudinal y transversal del vehículo. Para su correcto funcionamiento y debido a su función en el sistema, es conveniente que este sensor esté instalado lo más cerca posible del centro de gravedad del vehículo. Su misión es la de detectar si existen fuerzas laterales que traten de sacar el vehículo de la trayectoria deseada y detectar su intensidad. Este detector es muy sensible y delicado, por lo que puede sufrir daños con facilidad. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 85 Figura 6.2:Esquema de un sensor de aceleración. Estructura y funcionamiento El sensor de aceleración de efecto Hall esta constituido por un resorte en forma de cinta puesto de canto, fijado por uno de sus extremos. En el extremo libre opuesto está colocado un imán permanente en función de masa sísmica que se mueve. Sobre el imán permanente se encuentra el verdadero sensor de efecto Hall con la electrónica de evaluación. Debajo del imán hay colocada una plaquita de amortiguación de cobre. Al estar sujeto el sensor a una aceleración transversal al resorte, la posición de reposo del sistema masa-resorte cambia. Su desplazamiento es un parámetro específico de la aceleración. El flujo magnético "F" ocasionado por el movimiento del imán genera una tensión Hall UH en el sensor de efecto Hall. La tensión de salida UA resultante de ello y procedente de la electrónica de evaluación aumenta linealmente con la aceleración. El sensor está concebido para un reducido ancho de banda de algunos Hz y posee una amortiguación electrodinámica. Figura 6.3:Función de transferencia de un sensor de aceleración. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 86 Figura 6.4:Esquema de funcionamiento de un sensor de aceleración de efecto Hall. 6.3.2. Sensores de aceleración realizados por micromecánica Aplicación Los sensores de aceleración realizados por micromecánica de superficie y destinados a los sistemas de retención de pasajeros detectan los valores de aceleración de un choque frontal o lateral y provocan la activación de los tensores de cinturón, el disparo de los airbag y la actuación del arco antivuelco. Figura 6.5: Ubicación de sensor realizado por micromecánica en un automóvil. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 87 Figura 6.6:Sensores realizados por micromecánica para el disparo del airbag. Estructura y funcionamiento Estos sensores, utilizados primero para detectar altas aceleraciones (50 a 100 g) en sistemas de protección de pasajeros, son también apropiados para medir aceleraciones de reducida intensidad. Comparados con los sensores de silicio realizados por micromecánica de volumen, son mucho más compactos y están alojados junto con la electrónica de evaluación (ASIC) en una caja estanca al agua. Su sistema de masa-resorte está montado sobre la superficie de la plaquita de silicio por un procedimiento aditivo. La masa sísmica, cuyos electrodos tienen la forma de un peine, está suspendida elásticamente dentro de la célula de medición. A ambos lados de esos electrodos móviles hay colocados sobre el chip electrodos fijos, asimismo en forma de peine. Esta disposición de electrodos fijos y móviles corresponde a una conexión en serie de dos condensadores diferenciales C1 y C2 (capacidad de la estructura de peine, aproximadamente de 1pF). A los bornes de estos condensadores se aplican tensiones alternas de fases opuestas, cuya superposición es detectada en el punto CM (capacidad de medición) entre los condensadores, o sea, en la masa sísmica. Como la masa sísmica está suspendida de resortes, una aceleración lineal a en el sentido de detección ocasiona una variación de la distancia entre los electrodos fijos y móviles y, por consiguiente, una variación de capacidad en los condensadores C1 y C2. De ello resulta una variación de la señal eléctrica que en la electrónica de evaluación (ASIC) es amplificada, filtrada y digitalizada para su transmisión a la unidad de control de los airbag. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 88 Por razón de la reducida capacidad de aprox. 1pF, la electrónica de evaluación está integrada directamente en el sensor sobre el mismo chip o estrechamente unida al sensor. Es posible la realización de sistemas reguladores de posición con vuelta electrostática al estado inicial. El circuito de evaluación dispone también de una compensación de desviaciones del sensor y de una auto diagnosis durante la fase de puesta en funcionamiento. Para la auto diagnosis, unas fuerzas electrostáticas provocan el desplazamiento de la estructura en forma de peine y simulan así el proceso que tiene lugar durante la aceleración en el vehículo. Figura 6.7:Sensor realizado por micromecánica y de detención capacitiva. Existen también sensores micro mecánicos dobles, utilizados por ejemplo en el programa electrónico de estabilidad ESP para la regulación de la dinámica de marcha. Están constituidos en realidad por dos sensores individuales. Un sensor de convolución y un sensor de aceleración micro mecánico forman un módulo compacto. De ese modo se reduce el número de componentes y de líneas transmisoras de señales. Además, se necesitan menos puntos de fijación y espacio de montaje en el vehículo. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 89 Figura 6.8:Diagrama de bloques de sensor de aceleración. Figura 6.9:Fotografía sensor aceleración transversal combinado con sensor de viraje. 6.3.3. Sensores de aceleración piezoeléctricos Aplicación Los sensores de aceleración piezoeléctricos son por su principio de funcionamiento sensores de vibraciones; son muy a propósito para detectar vibraciones debidas a ruidos de impacto. Estas pueden presentarse en el motor de un vehículo en caso de combustión incontrolada y se conocen bajo el nombre de picado. El sensor convierte las vibraciones en señales eléctricas y las transmite a la unidad de control. En general, los motores de hasta 4 cilindros en línea son equipados con un solo sensor de picado, los motores de 5 ó 6 cilindros con dos sensores, los motores de 8 ó 12 cilindros con dos sensores o más. Se conmutan en función del orden de encendido. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 96 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 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 unido fijamente con el plato sonda de medición y trabajando en cooperación con un volumen de amortiguación, amortigua las oscilaciones originadas por el aire aspirado pulsante. Figura 7.2:Esquema interno de sonda volumétrica. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 97 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 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 reumáticamente 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. Figura 7.4:Esquema sección sonda volumétrica En la figura inferior puede verse un esquema que muestra la c constitución eléctrica interna de un potenciómetro. La rampa intercalada con respecto a la posición del cursor, 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. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 98 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 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. Figura 7.5:Esquema del potenciómetro de la sonda volumétrica de plato. Figura 7.6:Grafica que muestra la función de transferencia del sensor volumétrico. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 99 7.3.2. 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. La rejilla protectora además de filtrar el aire, lo conduce en régimen laminar para evitar turbulencias dentro del medidor. 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, toda la sección de flujo. Delante de él, 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. Figura 7.7:Esquema de despiece del medidor de masa de aire por hilo caliente. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 100 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 determina el nivel de cesión de calor del hilo caliente al aire. La corriente de calefacción representa una medida del flujo de masa de aire y genera en una resistencia de precisión una señal de tensión UM que es proporcional al flujo de masa de aire y 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. Figura 7.8:Despiece del medidor de masa de aire por hilo caliente. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 101 Figura 7.9:Fotografía de un cuerpo tubular con hilo de platino calefactable. Figura 7.10: Esquema eléctrico del medidor de masa de aire por hilo caliente. El circuito de regulación se compone esencialmente de un circuito en puente y de un amplificador. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 102 7.3.3. 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. 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 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 bañada por la corriente de aire parcial en la entrada de aire de admisión, y un sistema electrónico evaluador integrado. Los elementos de la célula de medición están metalizados por evaporación sobre un substrato semiconductor, y los elementos del sistema electrónico evaluador 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. 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, corrientes en sentido directo, y reflujos. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 103 Figura 7.11 y 7.12:Esquema de medidor de masa de aire por película caliente. Funcionamiento El medidor de masa de aire de película caliente es un sensor térmico que trabaja según el siguiente principio: Una resistencia calefactor dispuesta en el centro sobre la célula de medición calienta una membrana sensible micromecánica y la mantiene a una temperatura constante. Fuera de esta zona de calefacción regulada, disminuye la temperatura a ambos lados. Dos resistencias dependientes de la temperatura montadas simétricamente respecto a la resistencia calefactor encargadas de medir el flujo arriba y el flujo abajo sobre la membrana detectan la distribución de la temperatura sobre ésta. Cuando no pasa aire, el perfil de temperaturas es igual en ambos lados. Cuando pasa aire por encima de la célula de medición, el perfil uniforme de temperaturas sobre la membrana sufre un cambio. 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. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 104 Figura 7.13: Funcionamiento de sensor de masa de aire caliente por película. La variación de la distribución de temperaturas ocasiona 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 la célula de medición del sensor, depende de la masa de aire que pasa por delante de ella. La diferencia de temperatura 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 (< 15ms). Esto es importante, especialmente con corrientes de aire de fuerte pulsación. La diferencia de resistencia en los puntos de medición M1 y M2 es convertida 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, 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 una interrupción de línea. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 105 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. Para ciertas aplicaciones en algunos vehículos se toman medidas adicionales contra el agua y la suciedad. 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. Sistema de inyección Renix de Renault El sistema de inyección de gasolina de Renix de Renault utiliza un sensor de presión absoluta que permite junto con el valor de temperatura de aire saber el peso del aire que entra en el colector de admisión y así poder establecer con exactitud la cantidad de gasolina a inyectar para conseguir una determinada relación de mezcla. El captador esta constituido por un diafragma realizado en material aislante dentro del cual están emplazadas unas resistencias que forman un puente de medida. El puente de resistencias esta formado por sensores piezoeléctricos que son sensibles a las deformaciones mecánicas. El diafragma esta unido mediante un tubo al colector de admisión de manera que las variaciones de presión actúan directamente sobre el diafragma provocando su deformación. Esta deformación actúa sobre el puente de resistencias variando la tensión de salida. La tensión de salida del puente es ajustada a las escalas de trabajo deseadas de manera que se obtiene una tensión final de salida comprendida entre 0 y 5 V, siguiendo de manera lineal las variaciones de presión. Figura 7.14:Esquema del sistema de inyección Renix de Renault. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 112 Esta señal se envía por el segundo pin del sensor hacia el computador, el cual identifica esta tensión variable en temperatura medida del refrigerante, entregando a los inyectores una cantidad de combustible ideal en cada etapa de calentamiento. Alimentación Negativa Como en el primer caso, en otros sistemas se utiliza una alimentación negativa lo que significa que el primer pin del sensor tiene una conexión de tierra o masa. Cuando el sensor esta frió, la alta resistencia interior permite enviar una señal negativa muy pequeña por el segundo pin, dirigida a la centralita, pero seguirá incrementándose acorde al aumento de temperatura del motor. Como se podrá notar, el tipo de señal que se envía a la centralita solamente dependerá del tipo de alimentación que se le entregue al sensor, el cual se encarga de enviar una señal variable de esta alimentación, progresiva con el aumento de temperatura. Figura 8.4: Esquema de sensor de temperatura NTC. Figura 8.5:Fotografía sensor de temperatura NTC para líquidos. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 113 Adicionalmente podemos decir que como el sensor se basa para su trabajo en la característica de su material, todos los sensores utilizados tendrán las características similares, con la diferencia mayor localizada en el tamaño, su diseño, la forma de la rosca y del conector, pero siempre tendrá características de medición muy similares, por no decir idénticas entre cualquier procedencia. Es por ello que podemos asegurar, que una tabla de valores que relaciona la temperatura del sensor con la resistencia que nos entrega de nuestro ejemplo deberá coincidir en su mayor parte en todos los sistemas y marcas de inyección electrónica y algunas mecánicas con ayuda de la electrónica. Esta señal sirve de información, como se dijo, para que el computador determine la mezcla exacta que debe inyectar, controlando a los inyectores del sistema; cuando se ha instalado un sensor en una inyección mecánica con ayuda eléctrica, también sirve para poder controlar con exactitud el caudal inyectado. A continuación podemos observar la tabla de valores, donde se puede ver claramente que la resistencia del sensor disminuye con el incremento de la temperatura. Figura 8.6:Función de transferencia de un sensor de temperatura NTC. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 114 8.3.5. Sensor de temperatura del aire aspirado Aplicación Al igual que el sensor de temperatura del refrigerante, el sensor de temperatura del aire que aspira el motor, es un parámetro muy importante de información que debe recibir la centralita, información que generalmente se la toma conjuntamente con el caudal de aire de ingreso. Estas dos informaciones le dan a la centralita una idea exacta de la masa o densidad del aire que ingresa al motor y con ello se puede inyectar un caudal exacto de combustible, para que la mezcla esté en su medida ideal. Cuando la centralita solamente recibe la cantidad de aire como información, las moléculas del mismo podrían estar muy condensadas en el caso que el aire de entrada este frío, por lo tanto se tendrá un número mayor de moléculas de aire que se mezclen con la cantidad de moléculas del combustible inyectado; en cambio, si el aire está muy caliente, el número de moléculas será mucho menor en el mismo volumen aspirado, mezclándose con la misma cantidad de moléculas de combustible que se inyecta, empobreciéndose la mezcla que ingresa a los cilindros del motor. Por estas razones, la información de la cantidad o volumen del aire aspirado, mas la temperatura del mismo, identifican exactamente a una masa o densidad, que significa una medición exacta de la cantidad de moléculas del aire. Estructura y funcionamiento El sensor de temperatura del aire está localizado convenientemente, de tal manera que el flujo de aire ingresado sea detectado rápidamente al chocar con él y pueda detectar rápidamente cualquier variación en la temperatura. Generalmente está localizado en el depurador, en la tubuladura posterior al depurador o en el mismo múltiple de admisión.Su estructura es similar a la del sensor de temperatura del refrigerante, pero el encapsulado es más fino, pudiendo ser plástico o la pastilla NTC está solamente protegida por un sencillo enrejado, el cual permita al aire chocar directamente sobre el sensor. 1. Cuerpo metálico 2. Cuerpo plástico 3. Pastilla NTC 4. Contactos eléctricos Figura 8.7:Esquema sensor temperatura. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 115 Figura 8.8:Fotografía de sensor de temperatura NTC para aire. 8.3.6. Sensor de temperatura del combustible En algunos sistemas de inyección electrónica se ha tomado como otro parámetro importante la medición de la temperatura del combustible, debido a que, como el sensor de temperatura del aire, la variación de la temperatura del combustible modificaría la cantidad de moléculas inyectadas, variando de esta forma la mezcla aire-combustible. Entenderemos mejor esto, diciendo que el combustible tiene una mayor concentración de moléculas cuando está frió y menor cuando está caliente, similar al caso explicado del sensor de temperatura de aire, ya que las moléculas de un gas o de un liquido, dentro de un mismo volumen, varían en cantidad de acuerdo a su temperatura. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 1 16 9. SENSORES DE GAS, SONDAS DE CONCENTRACIÓN 9.1. Descripción general En los primeros sistemas de inyección, tanto mecánicos como electrónicos, se habían tomado como exactas las regulaciones de cada sistema, pero algunos factores pueden variar la calidad de la combustión, la cual no permite al motor entregar su mejor potencia y obligan adicionalmente a que esta mala combustión genere una emisión de gases contaminantes al ambiente. Con estas malas experiencias, los sistemas fueron diseñándose de mejor manera, pero a pesar de ello la calidad de la combustión seguía dependiendo de otros factores, inclusive mecánicos, que afectaban en un buen porcentaje esta exactitud de los componentes electrónicos. Es por eso que, con el descubrimiento del análisis de los gases de escape, se llegó a determinar la importancia y la relación de estos gases combustionados con la exactitud en el sistema de inyección. Este elemento que analiza los gases de escape es el sensor de oxígeno, llamado también sonda lambda. El sensor de Oxígeno no es más que un sensor que detecta la presencia de mayor o menor cantidad de este gas en los gases combustionados, de tal manera que cualquier variación en el número de moléculas calculadas como perfectas o tomadas como referenciales, será un indicador de malfuncionamiento y por lo tanto de falta o exceso de combustible en la combustión. Este sensor trabaja como un juez del sistema, ya que todo el tiempo está revisando la calidad de la combustión, tomando como referencia al oxígeno que encuentra en los gases quemados, informando a la centralita, para que corrija la falta o el exceso de combustible inyectado, logrando la mezcla aire-combustible ideal. Este sensor está constituido de una cerámica porosa de Bióxido de circonio y de dos contactores de platino, alojados dentro de un cuerpo metálico. Un contactor está conectado al cuerpo, mientras que el segundo es el contacto aislado, el cual entregará la señal de salida hacia la centralita. El sensor está a su vez localizado convenientemente en la salida del múltiple de escape del motor, lugar en el cual puede medir la variación de la combustión del mismo. Entre los dos contactos se genera una tensión eléctrica de aproximadamente 1 Voltio, cuando la cantidad de oxígeno es abundante, que significa que la combustión posee mucho combustible. En cambio la generación de esta tensión eléctrica será menor si la cantidad de combustible inyectado es muy pobre. Por lo tanto durante el funcionamiento del motor se tendrán valores de generación entre décimas de voltio hasta aproximadamente 1 Voltio, dependiendo de la presencia del Oxigeno en los gases combustionados. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 117 Como la centralita está recibiendo esta información permanentemente, puede en cuestión de milésimas de segundo modificar la cantidad de combustible que inyecta el sistema, permitiendo que el motor obtenga una gran exactitud en su combustión, que significa entonces una óptima potencia de entrega y una emisión mínima de gases contaminantes en el ambiente. 9.2. Principios de medición Las sustancias a medir se presentan en estado gaseoso, líquido o sólido, habiéndose desarrollado por ello en el transcurso del tiempo un gran número de métodos de medición. Hasta el presente para la técnica del automóvil es sólo de interés el campo del análisis de gases, con un sector especial para la medición de la humedad en forma gaseosa. Medición de gases en general Los sensores de gas, que generalmente están expuestos directamente y sin protección al medio a medir, corren el riesgo de sufrir un daño irreversible. Este daño recibe también la designación de envenenamiento de la sonda. Así, por ejemplo, el plomo eventualmente contenido en el combustible o en los gases de escape puede hacer inservibles las sondas de oxígeno (sondas lambda). Medición de la humedad Junto al papel esencial que desempeña la sonda de oxígeno (sonda lambda) en lo que se refiere a los gases de escape, hay que atribuir asimismo una gran importancia a la medición de la humedad del aire. La humedad indica por extensión el contenido de agua en sustancias gaseosas, líquidas y sólidas. Magnitudes de medición La concentración de una sustancia determinada indica la fracción de masa o de volumen con que está contenida en otra sustancia o en una mezcla de otras sustancias. La propiedad principal de un sensor de concentración consiste en que es únicamente sensible a una sustancia de medición e ignora (en el caso ideal) a ser posible totalmente otras sustancias. En realidad, cada sonda posee sin embargo una sensibilidad transversal a otras sustancias, incluso si los parámetros de medición como son la temperatura y la presión se mantienen constantes. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 118 En el automóvil hay que medir las siguientes magnitudes: • Contenido de oxígeno en los gases de escape (regulación de la combustión, vigilancia del catalizador). • Humedad del aire en sistemas de freno neumáticos (vigilancia del secador de aire). • Humedad del aire exterior (aviso de superficie helada). 9.3. Tipos de sensores 9.3.1. Sensores de calidad del aire Aplicación Estos sensores comprueban continuamente la calidad del aire en la zona de entrada de la ventilación. Reaccionan especialmente a los componentes nocivos de los gases de escape CO (principalmente de motores de gasolina) y NOX (sobre todo de motores Diesel). Figura 9.1:Unidad de control de una sonda Lambda. Estructura y funcionamiento Estos sensores integrados en la unidad de control de la calidad del aire, consisten en resistencias de capas gruesas que contienen óxido de estaño. En cuanto las sustancias a medir se depositan en ellos (de modo reversible), la resistencia eléctrica de los sensores varía en parte rápida e intensamente dentro de un amplio margen. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 119 Las resistencias de esas sondas se encuentran sobre un substrato cerámico común, que por su parte trasera es calentado por un conductor de caldeo hasta una temperatura de funcionamiento de unos 330° C. A causa de esta alta temperatura, el substrato está contactado sin apoyos. La sonda de CO mide concentraciones del orden de 10 a 100ppm (partes por millón) y la sonda de NOX, del orden de 0,5 a 5ppm. Tan pronto como la concentración de gases nocivos es excesiva (en ocasiones casi 100 veces superior a la del aire limpio), la unidad de control de la calidad del aire cierra las chapaletas de aire fresco de ventilación del habitáculo del vehículo. Impide así que el conductor respire esos gases y se canse prematuramente. Al mantener apartadas esas sustancias nocivas, se prolonga la vida útil de los filtros de carbón activo. Una tapa metálica ofrece una protección superficial. Una membrana de teflón situada debajo para las dos cámaras del sensor deja pasar ciertamente los gases de medición, inclusive la humedad en forma de vapor, pero retiene la humedad líquida. Si bien los gases a medir tienen que difundirse a través de la membrana de teflón, el tiempo de reacción de los sensores es de algunos milisegundos. Figura 9.2:Esquema de un sensor para determinar la calidad de aire. Las unidades de la última versión para el control de la calidad del aire poseen asimismo un sensor de humedad. Su señal no sólo sirve para medir la temperatura del habitáculo mediante un sensor de temperatura NTC, sino también para calcular el punto de rocío, que influye en el empañamiento de los cristales del vehículo. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 120 Figura 9.3:Esquema de sensor para determinar humedad. 9.3.2. Sondas lambda La sonda lambda mide la concentración de oxigeno en los gases de escape. Es parte integrante de un circuito de regulación encargado de mantener continuamente la composición correcta de la mezcla de combustible y aire. La relación de mezcla del oxigeno atmosférico respecto al combustible, con la que se consiguen máximos niveles de conversión de los contaminantes en el catalizador es de lambda = 1 (relación estequiométrica de la mezcla). Figura 9.4:Fotografía de unas sondas Lambda de Bosch. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 121 Hay dos modelos de sondas lambda: • Sondas lambda de dos puntos • Sondas lambda de banda ancha 9.3.2.1.Sondas lambda de dos puntos Aplicación Las sondas lambda de este tipo se utilizan en motores de gasolina dotados de una regulación lambda de dos puntos. Las sondas están situadas en el tubo de escape y detectan simultáneamente el flujo de gases de escape de todos los cilindros. El modo de funcionar se basa en el principio de la célula galvánica de concentración de oxígeno en combinación con un electrólito sólido. Las "sondas de dos puntos" indican si los gases de escape proceden de una mezcla rica (valor lambda < 1) o pobre (valor lambda > 1). La curva característica de variación brusca de estas sondas permite regular la mezcla "valor lambda" = 1. Figura 9.5:Diagrama de bloques y función de transferencia de una sonda Lambda. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 128 Las sondas lambda de banda ancha no sólo pueden medir exactamente en el punto "estequiométrico" de "valor lambda" = 1, sino también en el margen pobre de combustible (valor lambda > 1) y en el rico (valor lambda < 1). Ellas suministran una señal eléctrica unívoca y constante en el campo de: 0,7 < "valor lambda" < infinito (aire con el 21 % 02). Figura 9.13:Grafica que muestra función de transferencia de sonda lambda plana. Con estas características, la sonda lambda de banda ancha no sólo se aplica en sistemas de gestión de motores con regulación de dos puntos (valor lambda = 1), sino también en conceptos de regulación con mezclas de aire y combustible pobres y ricas. También es idónea para la regulación lambda de motores de gasolina que funcionan con mezclas pobres, motores Diesel, motores de gas (por eso la denominación LSU: Lambda-Sonde-Universal). La sonda penetra en el tubo de escape y detecta la corriente de gases de escape de todos los cilindros. Para una regulación más exacta, en algunos sistemas se emplean varias sondas, por ejemplo delante y detrás del catalizador, así como en los distintos tramos de gases de escape. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 129 Figura 9.14:Esquema de ubicación de sondas lambda en catalizador. Estructura y funcionamiento La sonda lambda de banda ancha LSU4 es una sonda plana de dos células de corriente límite. Su célula de medición es de cerámica de dióxido de circonio (ZrO2). Está constituida por la combinación de una célula de concentración de Nernst (célula sensible, funciona como en una sonda lambda de dos puntos) y una célula de bombeo que transporta iones de oxígeno. La célula de bombeo de oxígeno está dispuesta de tal modo respecto a la célula de concentración de Nernst que entre ambas se forma una ranura de difusión de unos 10... 50µm. Esta ranura está en comunicación con los gases de escape a través de un agujero de acceso; la barrera porosa de difusión limita el flujo sucesivo de las moléculas de oxígeno contenidas en los gases de escape. La célula de concentración de Nernst comunica en un lado por un canal de aire de referencia, a través de una abertura, con la atmósfera ambiente; en el otro lado está expuesta a los gases de escape en la ranura de difusión. La sonda no suministra una señal útil hasta que se alcanza una temperatura de servicio de 600... 800º C como mínimo. Para que se alcance rápidamente esta temperatura, la sonda está provista de un calentador. Funcionamiento Los gases de escape llegan a través del pequeño agujero de acceso de la célula de bombeo a la verdadera cámara de medición (ranura de difusión) de la célula de concentración de Nernst. Para poder ajustar el coeficiente de aire "valor lambda" en la ranura de difusión, la célula de concentración de Nernst compara los gases en esta ranura con el aire ambiente en el canal de aire de referencia. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 130 El proceso total se desarrolla del modo siguiente: Mediante la aplicación de una tensión Up a los electrodos de platino de la célula de bombeo, a través de la barrera de difusión se puede bombear oxígeno de los gases de escape a la ranura de difusión o viceversa. Con ayuda de la célula de concentración de Nernst, un circuito electrónico en la unidad de control regula esta tensión aplicada a la célula de bombeo Up, de manera que la composición de los gases en la ranura de difusión se mantenga constante en "valor lambda" = 1. Cuando los gases de escape son pobres, la célula de bombeo, bombea el oxígeno hacia afuera (corriente de bombeo positiva). Cuando son ricos, se bombea por el contrario el oxígeno (mediante descomposición catalítica de C02 y H20 en el electrodo de gases de escape) de los gases del entorno a la ranura de difusión (corriente de bombeo negativa). Con "valor lambda" = 1 no se ha de transportar oxígeno. La corriente de bombeo es cero. Ella es proporcional a la concentración de oxígeno en los gases de escape y constituye así una medida (no lineal) del coeficiente de aire "valor lambda". Figura 9.15:Esquema circuito de sonda lambda plana de banda ancha. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 131 Figura 9.16:Esquema de sonda lambda de banda ancha LSU4.de Bosch. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 132 10. CRITERIOS DE SELECCIÓN DE SENSORES 10.1 Introducción El establecimiento de criterios de selección es un tema amplio y complejo. Por una parte las magnitudes susceptibles a ser transformadas en señal eléctrica son muy numerosas y también muy variadas las tecnologías de transducción disponibles. Por otra parte, la oferta actual de sensores, captadores, transductores o transmisores de señal es muy amplia, no solo en cuanto a las tecnologías básicas utilizadas, sino también por sus diferencias de ejecución en relación a formatos físicos y a comportamientos ambientales. A todo esto se añade la dificultad de que no existan unos limites precisos en cuanto a las prestaciones que ofrecen las diferentes tecnologías o los diferentes formatos de ejecución. Por todo ello, vamos a centrarnos en los criterios básicos de selección, es decir, en aquellos que determinen un primer nivel de adecuación entre la magnitud a medir y el elemento detector a utilizar. El campo de aplicación de las medidas es muy amplio. En principio podemos establecer una primera diferenciación, entre controles de procesos, evaluaciones, ensayos de calidad, etc., en los que la magnitud a medir esta completamente definida y el análisis del comportamiento de sistemas en operación. El primer caso no presenta en principio, problemas de decisión respecto de la medición a realizar, aunque puede presentar algunas dificultades de concreción en cuanto a su puesta en servicio, derivadas principalmente de las diversas alternativas entre las que se puede elegir. En el segundo caso el proceso de decisión es mas complejo, en primer lugar hay que definir cuales son las magnitudes que interesa evaluar, como mas significativas en cuanto al proceso que hay que analizar. En segundo lugar hay que ver cuales son las magnitudes que se pueden medir, que no siempre son coincidentes con las que realmente interesan. A veces, la magnitud que interesa no es directamente detectable, esto puede ser a causas muy diversas, a veces se trata de magnitudes complejas, en otros casos como en el de la velocidad del amortiguador, el problema consiste en que no se dispone de un sistema adecuado de referencia . Es por este motivo que la velocidad de un amortiguador solamente puede ser determinada a partir de la medida del desplazamiento en función del tiempo, no admitiendo tampoco una calibración directa. Se trata principalmente de una cuestión de diferencias del sistema. Nuestros sistemas de medidas de velocidades o aceleraciones son inerciales y por ello solo podemos detectar directamente magnitudes absolutas. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 133 Normalmente los captadores vienen definidos por la magnitud en las que son directamente calibrables, mientras que los sistemas de medida pueden venir ya dados en la magnitud final de nuestro interés. Pero todas estas consideraciones sobre la magnitud que se detecta, la que se mide y la que se evalúa, son muy importantes para tener un criterio sobre lo que realmente se esta haciendo: si por ejemplo se adquiere un medidor de caudal hay que saber si la magnitud que se detecta es la velocidad o la diferencia de presión o la temperatura, ..., para poder establecer el campo de validez de las medidas cuando las condiciones de funcionamiento o la aplicación varían, bien por causas internas (viscosidad del fluido, etc.), o externas (temperatura, presión, etc.). 10.2 Algunas características que definen un captador de señal Son muchas las características que pueden intervenir en la selección de un captador. Sin tener en cuenta las especificas del tipo de magnitud a medir ( temperatura, fuerza, aceleración, etc.) , presento un listado de algunas de estas características: Rango de medida Tipo de medida Carga de referencia Carga exterior Valor máximo de operación Valor de rotura Sensibilidad Resolución Banda muerta Precisión Linealidad Repetitividad Impedancia de entrada Impedancia de salida Alimentación Error de alimentación Consumo Offset de cero Salida eléctrica Histéresis Simetría Temperatura de compensaron Temperatura de funcionamiento Frecuencia de resonancia Tiempo de respuesta Resistencia al choque Resistencia de aislamiento Sensibilidad a las vibraciones Mantenimiento Coste No voy analizar cada una de estas características pero si que voy a tratar las consideraciones mas importantes que he tenido en cuenta, a la hora de elegir: • Naturaleza de las magnitudes físicas a medir. • Tipo del fenómeno físico: estático o dinámico. • Rangos de medida, sensibilidad y resolución. • Precisión requerida: linealidad, deriva etc. • Salida eléctrica: en tensión o intensidad. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 134 10.2.1 Naturaleza de las magnitudes físicas a medir La magnitud física a detectar (en nuestro caso velocidad, aceleración, revoluciones, temperaturas, etc.), junto con el sistema de referencia a utilizar, definen el tipo de captador a utilizar. Al hablar del sistema de referencia me refiero a que no es lo mismo medir la temperatura a la salida del tubo del escape de forma absoluta o con referencia la temperatura ambiente. En este caso se utilizaran siempre sondas de temperatura aunque sean de ejecuciones diferentes. Pero si tenemos que determinar un desplazamiento puede ser necesario un acelerómetro (elongación de vibración absoluta), de una probeta de proximidad (vibraciones relativas de eje), o de un captador de desplazamiento lineal o angular. Por otra parte, a veces bajo la misma denominación, podemos estar refiriéndonos a magnitudes físicas diferentes, en el caso de caudal puede ser volumétrico o masico, de líquidos o de gases, etc. 10.2.2 Tipo de fenómeno físico: estático o dinámico Así como la magnitud física define el captador a utilizar, el típo de fenómeno físico ( estático, dinámico, impulsivo, etc.), determina a veces, la tecnología del sensor a utilizar. El contenido en frecuencia de un fenómeno físico es una de las características fundamentales, desde el punto de vista de su caracterización. En función del principio de transducción en que estén basados , hay traductores que no detectan los fenómenos físicos con bajo contenido en frecuencias, es decir, los fenómenos estáticos o cuasi estáticos (lentamente variables). Y hay otros que no pueden responder a las variaciones muy rápidas (por ejemplo, con un captador potenciómetro no se puede medir los desplazamientos de rápida evolución que se producen en la amortiguación de la motocicleta). Por ultimo, hay captadores que en base a su principio de medida si podrían detectar magnitudes muy rápidamente variables, pero a los que su configuración mecánica normalmente no se lo permite, ya que sencillamente estos se romperían. En este tema abarcamos un amplio numero de conceptos de teoría de sistemas, como son el de frecuencia natural, frecuencia de resonancia, frecuencia de respuesta, banda pasante, coeficiente Q de amortiguación, respuesta plana, tiempo de respuesta, etc. Como regla general para seleccionar un captador pata trabajar en régimen dinámico, hay que buscar entre sus especificaciones cual es su frecuencia de respuesta, o su banda pasante, o su respuesta plana en frecuencia, o temidos análogos, que indican la banda en Hz o kHz, en que la respuesta del captador es plana, es decir que su salida eléctrica no esta afectada por el valor de la frecuencia a la que se esta midiendo. Si no existe una especificación de este tipo , significara normalmente que el captador solo es utilizable con fenómenos lentamente variables, no con fenómenos dinámicos constates o de tipo impulso. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 135 El tiempo de respuesta es un concepto íntimamente ligado al la respuesta en frecuencia, ya que si el tiempo de respuesta es grande no se pueden conseguir pasos de banda amplios ( respuesta plana a frecuencias elevada). Pero un tiempo de respuesta corto es una característica de gran importancia aunque el fenómeno a medir sea lentamente variable. El tiempo de respuesta se puede definir como el tiempo que necesita el traductor para que su salida alcance el valor correspondiente a un escalón de carga determinado. Otro dato importante cuando se trabaja en régimen dinámico es el ciclo de vida del traductor, es decir, el numero máximo de ciclos de carga que puede experimentar sin salirse de las tolerancias especificas y sin riesgo de rotura. 10.2.3 Rango de la medida: sensibilidad y resolución Dependiendo de la medida a tratar tendremos un rango de magnitud diferente, es decir, no es lo mismo medir temperatura ambiente ( en el que el rango de medida seria de unos 50º máximo) a medir la temperatura de los gases de escape ( en el que tenemos un rango de medida de 300º). Es evidente que, unas ordenes de magnitud tan diferentes exigirán unas tecnologías de traducción también distintas. Desde el punto de vista de la realización de unas medidas, hay una serie de conceptos ligados a las ordenes de magnitud que son importantes para la selección del traductor. No puede decirse, en términos absolutos, que una magnitud sea demasiado grande o demasiado pequeña para ser medida. Todo depende de los métodos y de los instrumentos disponibles, pero desde un punto de vista practico se considera que toda aquella magnitud que no puede ser calibrada físicamente no es susceptible a ser medida, solo podrá ser calculada o deducida, en nuestro caso todas las magnitudes pueden ser calculadas y medidas. Otro concepto usado para determinar los rangos de medida son el de gama de medida, se denomina así a la diferencia, en rango, entre los máximos y mínimos valores normalmente medibles con un solo captador, como norma general se suele decir que la gama de medida esta comprendida entre el valor de fondo de escala y la décima parte de este valor. Para la medición de los valores máximo y mínimo seria practico utilizar un solo captador de manera que el usado para medir m/s fuese también adecuado para medir Km./h. Normalmente, excepto en algunas tecnologías como la piezoeléctrica, que cubre un rango de medida muy amplio, un captador no debe ser utilizado mas que excepcionalmente por debajo de una 1/10 de su valor a fondo de escala, de igual manera que no utilizamos el mismo instrumento para medir toneladas que para medir gramos. La solución a este problema es conceptualmente muy simple aunque económicamente no lo sea tanto, basta con utilizar los captadores suficientes para cubrir adecuadamente el rango completo de medida. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 136 La sensibilidad es la pendiente de la curva de calibración que relaciona la salida eléctrica del captador con la magnitud física detectada. Según el tipo de captador, este concepto difiere bastante. La sensibilidad viene dada normalmente , en los captadores activos, que no necesitan alimentación, en magnitud eléctrica/magnitud física (por ejemplo, mV/g, mV/csi, etc,) y en los captadores pasivos será como relación entre dos magnitudes eléctricas, salida fondo de escala/tensión de alimentación. Para un captador que puede ser alimentado entre 5 y 15Vcc decir que su sensibilidad es de 2mV/V significa que si lo alimentamos a 10Vcc obtendríamos una salida de 20 mV. La resolución puede ser definida como la mas débil variación detectable, aunque se acostumbra a decir que la resolución es infinita cuando la minima variación detectable es cero. En general, casi todos los captadores, por su propio principio de medida, presentan resolución infinita, en este aspecto los limites los imponen normalmente el equipo de medida. El concepto de resolución puede expresarse también en términos de tolerancia, banda muerta o zona neutra, definido como el rango a través del cual la entrada de señal puede variar sin causar ningún cambio perceptible en la señal de salida. 10.2.4 Precisión requerida: error y linealidad Esta es una de las prestaciones básicas a tener en cuenta cuando hay que seleccionar un transductor. La precisión define su categoría o su clase (y no precisamente su calidad, ya que un captador de baja precisión puede ser en su clase un buen captador) Pero la precisión es cara, los baremos que se barajan a este respecto marcan igual incremento para la precisión que para el precio: multiplicar por 10 la precisión implica multiplicar también por 10 el precio. Es difícil establecer limites definidos en cuanto a la precisión típica de un captador porque depende mucho del procedimiento de transducción utilizado y del tipo de magnitud a medir. Con carácter general se puede decir que tenemos una precisión de calidad normal entre el 1% y el 0,5% de fondo de escala, una precisión de calidad buena entre el 0,5% y el 0,1% de fondo de escala y una precisión de calidad excelente por debajo del 0,1% del fondo de escala. La precisión de la medida dado el porcentaje del fondo de escala será el cociente entre el error total y el rango completo de medida. El error total es a su vez la diferencia entre el valor leído y el valor verdadero. Pero el traductor no es mas que uno de los componentes que participan en la realización de las medidas, es decir, solamente una parte de los errores que puedan cometerse son de su incumbencia., por eso no es necesario buscar una precisión muy buena en el traductor, aunque sin ninguna duda es deseable que presente la mayor precisión posible, pero hay que adecuar exigencias y necesidades, un traductor con mas precisión de la que se necesita indica también un mayor coste del necesario. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 137 Por otra parte, el termino de error es muy amplio y hasta en cierto modo un poco ambiguo, no es lo mismo hablar de errores de instalación o montaje que hablar de errores de limitación propios de la respuesta del traductor, es por eso que estos últimos son de mayor importancia a la hora de elegir. Hay que tener en cuenta que existen una serie de errores inherentes a la medida, que establecen un limite a la precisión, seria absurdo utilizar un traductor que ofreciera prestaciones superiores a las marcadas por este limite, errores de este tipo son: • Errores ligados a la concepción del procedimiento de detención • Errores en la calibración; una medida nunca tendrá mayor precisión que el procedimiento de calibración utilizado. • Errores de montaje; errores inherentes a la colocación física del elemento de medida. • Errores por vibración; de origen mecánico y relacionados normalmente con la instalación del captador. • Errores de alimentación; la sensibilidad es función de la alimentación • Error de instalación eléctrica; ligado con el anterior ya que la sensibilidad dependerá de donde se mida el valor de la alimentación. • Ruido eléctrico dependiente del adecuado apantallamiento eléctrico. Lo que se denomina precisión del captador , es un error combinado que incluye diferentes términos, según el fabricante lo establezca. Normalmente es el valor medio cuadrático de los errores de no linealidad, histéresis, repetibilidad y en algunos casos errores de sensibilidad y de derivas térmicas. Analizando cada uno de estos errores por separado entenderos que: • El error de no linealidad es la máxima desviación de la curva característica respecto de la línea recta que une los puntos cero y fondo de escala, expresando el porcentaje del valor fondo de escala, siempre que el cero de la curva característica se haya hecho coincidir con el origen de coordenadas. • El error de histéresis, es la máxima diferencia entre las salidas de señal correspondientes a un punto de las magnitudes crecientes y decrecientes entre cero y fondo escala, expresada en porcentaje del valor fondo de escala. • El error de repetibilidad es la cualidad de un traductor de reproducir la mismas lecturas de salida cuando un mismo valor a medir es aplicado consecutivamente, bajo las mismas condiciones y en la misma dirección. Se expresa en valor cuadrático medio de la diferencia entre lecturas o como el doble del valor cuadrático medio de las desviaciones de lectura respecto al valor de las mismas. • El error de deriva térmica cero, nos indica que normalmente un traductor sin carga y en condiciones normales de temperatura da salida cero, o el valor que se haya establecido al respecto. Si se mantiene sin la carga, la salida no debe variar en todo el rango de temperaturas de funcionamiento que se haya establecido. El error de deriva de cero será la mayor salida que se obtenga a lo largo de todo el rango de operación. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 144 Modo Bipolar: Este tipo de conversión se recomienda cuando se estén monitorizando señales bipolares o sea con polaridad + y -. Figura 11.7:Ecuación para el modo bipolar del A/D. Resolución: Nivel de voltaje que es capaz de discriminar un conversor A/D. O sea el nivel de voltaje para el cual el conversor cambia en un bits menos significativo. La resolución (R) depende del voltaje a plena escala y del número de bits del conversor. R = FSR/n Si aumenta el número de bits aumenta la efectividad del conversor, la exactitud del sistema y por tanto el precio del conversor. 11.2.8. Conversor Digital Analógico D/A Dispositivo que me convierte un código digital en una señal eléctrica correspondiente (voltaje o corriente). Su función dentro de un SAD o de control es proporcional un nivel de voltaje o corriente deseada a un elemento que me permitirá variar la variable que estoy controlando hasta llevarla al valor deseado. Este tipo de dispositivo también se puede utilizar como generador de señales. Figura 11.8:Estructura general de un D/A. Un conversor D/A puede tener normalmente 8, 10 ó 12 bits, salidas analógicas que pueden ser voltaje o corriente y sus variables de control frecuentemente son: Vref, Wr, CS, CE y Rfb. En un conversor D/A al igual que en muchos dispositivos digitales el tiempo de establecimiento de un 1 lógico es mayor que el de un 0 lógico esto provoca que se produzca un efecto no deseado conocido como GLITCH. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 145 Figura11.9:Ejemplo de transición donde ocurre el glitch. Figura 11.10:Conexión de un conversor D/A con más de 8 bits. En muchos conversores D/A para obtener una nivel de voltaje ya sea bipolar o unipolar es necesario implementar una configuración externa. 11.2.9. Microprocesadores Los microprocesadores son los que se encargan del almacenamiento y procesamiento de los datos, son dispositivos que se encargan de todas las funciones de procesamiento de la señal. Estos son de gran importancia porque son como el corazón del sistema de adquisición de datos. 11.3. Preparación de la señal En el mundo físico, las variables son continuas y es preciso transformarlas y convertirlas a variables digitales para que un sistema digital las pueda procesar. Los sistemas de adquisición de datos cumplen todas estas funciones. De forma global, la entrada de un SAD es un parámetro físico como la temperatura, la presión, caudal etc., presentado en forma analógica. El transductor convierte este parámetro a señales eléctricas, usualmente en forma de tensión del orden de uV o mV. La salida de un transductor puede ser de alta impedancia, de señal diferencial con ruido en modo común, de salida por intensidad en lugar de tensión, con una señal superpuesta a una alta tensión, o una combinación de estas.El amplificador debe amplificar solo las señales a una tensión de nivel suficiente para poderlas tratar posteriormente. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 146 Usualmente, al amplificador le sigue un filtro activo o pasivo para filtrar el ruido que pueda llevar la señal, entendiendo por ruido cualquier señal no deseada, tal como componentes de alta frecuencia, o ruido eléctrico debido a interferencias. En algunos casos, este filtro es pasivo y se dispone antes del amplificador para que este no amplifique también el ruido, sobretodo cuando tiene mucha ganancia. Cuando así lo requiere la amplificación, al conjunto filtro-amplificador le sigue un circuito que integra una función analógica no lineal que puede consistir en alguna de as siguientes: Producto, división logarítmica, exponencial etc.. La señal analógica procesada va seguida mente a un multiplexor de varios canales. Cada entrada es conectada a la salida de un multiplexor por el conmutador interno durante un tiempo especifico, durante este tiempo de conexión un circuito de muestreo y retención ( sample and hold) adquiere la tensión de la señal y después retiene la señal en un condensador interno o externo, mientras que un convertidor analógico digital convierte a este valor en forma digital. La palabra digital resultante es entregada posteriormente a un BUS de un microprocesador. Es necesario distribuir el tiempo entre los canales de entrada del multiplexor de forma que se de tiempo al convertidor A/D para transformar la señal sin que con ello se pierda información de ninguna de las distintas señales entregadas al SAD. La temporizacion y control completo se adjudica a un secuenciador controlado por el propio microprocesador. Otras veces, es el microprocesador el que directamente controla al SAD. Este sistema es utilizado frecuentemente aunque hay otras alternativas. 11.4. Proceso de cuantificación y codificación La conversión A/D es , en su forma conceptual básica un proceso de dos pasos: cuantificación y codificación. La cuantificación es el proceso de transformación de una señal continua analógica a un conjunto de estados discretos de salida. El numero de estados de salida para una combinación binaria de un convertidor es 2^n , donde n es el numero bits. Los puntos de tensión de decisión analógica están precisamente a medio camino entre el centro de los puntos de las palabras del código. La función de escalera es la mejor aproximación que puede efectuarse sobre una línea recta trazada entre los puntos de principio y final de escala. Esta línea pasa a través de todos los centros de las palabras codificadas. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 147 Figura 11.11:Función de transferencia ideal de un convertidor A/D. En cualquier punto del margen de entrada del convertidor, hay un pequeño rango de valores analógicos dentro del cual se produce el mismo código de salida. Este pequeño rango es la diferencia de tensión entre cualquiera de los puntos de decisión adyacentes, y se conoce como el tamaño de la cuantificación analógica Q. Q = EC/2^n Donde EC es escala completa analógica y Q es la diferencia analógica mas pequeña que puede extender el convertidor. Si la entrada del convertidor se mueve dentro de su escala completa de valores analógicos y se toma la diferencia entre la entrada y la salida se obtiene una función de error en forma de diente de sierra. Esta función se llama error de cuantificación y es error reducible que resulta del proceso de cuantificación. Solo se puede reducir incrementando el numero de estados de la salida del convertidor, es decir, su resolución. Un convertidor A/D requiere un pequeño pero significativo aumento de tiempo para efectuar las operaciones de cuantificación y codificación. El tiempo preciso para efectuar la conversión depende de varios factores: la resolución del convertidor , la técnica de conversión y la velocidad de los componentes empleados en el convertidor. La velocidad de conversión requerida en una aplicación particular depende de la velocidad de variación de la señal a ser convertida y de la precisión deseada. El tiempo de conversión es llamado también tiempo de apertura. En general, el tiempo del apertura se refiere a la incertidumbre de tiempo en hacer una medida, y resulta una incertidumbre de amplitud en la medición, si la señal esta cambiando durante este tiempo. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 148 El error puede ser considerado un error de amplitud o un error de tiempo ya que los dos están relacionados debido a que la derivada de la velocidad respecto al tiempo es igual al error máximo debido a la variación de la señal, mientras que el error real depende de cómo se efectúa la conversión. Un circuito de muestreo y retención toma una muestra de la señal y la retiene en un condensador durante el tiempo necesario para efectuar la conversión A/D, el tiempo de conversión se reduce mucho debido al menor tiempo de apertura. A su vez, el tiempo de apertura es una función de su banda pasante y de su tiempo de conmutación. 11.5. Teoría de muestreo En los sistemas de adquisición, las señales analógicas rápidas son muestreadas periódicamente. Cuando un SAD debe adquirir señales con una variación lenta en el tiempo no es necesario muestrear y por ello puede desaparecer el circuito de muestreo y retención. El resultado del muestreo rápido es idéntico al del multiplicar la señal por un tren de impulsos de muestreo de amplitud unidad dando como resultado un tren modulado. La amplitud fe la señal original se conserva en la envolvente de modulación de los impulsos. Si el tipo de conmutador y de muestreo se sustituye por un conmutador y un condensador, entonces la amplitud de cada muestra se retiene entre muestra y muestra y resulta una reconstrucción razonable de la señal original. El propósito del muestreo es la utilización eficiente de los equipos procesadores de datos y el facilitar la transmisión de los mismos. Un simple SAD, por ejemplo puede utilizarle para transmitir varios canales analógicos basándose en el muestreo, con ventajas respecto al sistema antieconómico de utilizar varios canales de transmisión para enviar continuamente varias señales. Al mismo tiempo, un SAD se puede utilizar para medir y controlar los distintos parámetros de un sistema de control de proceso muestreando los parámetros y actualizando los valores de los mismos, para posteriormente ser procesados. En los SAD es común utilizar un único convertidor A/D de alta velocidad y precisión y multiplexar varias entradas analógicas muestreándolas con un circuito de muestreo y retención. Es necesario saber cada cuanto tiempo se debe tomar una muestra de una señal para no tener perdidas de su información. Si una señal es lenta, se puede extraer toda su información fácilmente al muestrear de forma que no haya cambio o este sea muy pequeño. Habrá una perdida de información si hay un cambio significativo en la amplitud de la señal entre cada muestra. La teoría del muestreo da la solución al problema de escoger el tiempo de muestreo el enunciado es el siguiente: Si una señal continua de banda pasante limitada no contiene componentes de frecuencias fe, la señal original puede ser reconstruida sin distorsión si esta muestreada a una frecuencia de cómo mínimo dos veces fe muestras por segundo. No obstante en la practica se utilizan frecuencias mayores para mayor seguridad y menor distorsión. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 149 11.6. Tiempo de respuesta requerido Un parámetro que frecuentemente se tiene en cuenta en los SAD, es el tiempo de estabilización conocido también como tiempo de respuesta en teoría de sistemas. Este término esta definido como el tiempo transcurrido desde la aplicación de un escalón a la entrada del circuito hasta que la salida ha llegado a un valor final determinado y permanece dentro de su valor especifico de banda. El método de aplicación del escalón puede variar, dependiendo del tipo de circuito, pero la definición no varia. La importancia del tiempo de estabilización en los SAD es debida a que ciertas operaciones analógicas deben ser efectuadas en secuencia, y el valor de una operación debe quedar exactamente establecida antes de que la próxima pueda ser iniciada. Por lo tanto, un amplificador que preceda a un convertidor A/D debe tener el nivel de la señal de salida exactamente establecido antes de que pueda iniciarse la conversión. Figura 11.12:Grafica en respuesta de sistema de segundo orden. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 150 11.7. Circuitos ASIC Antes de enviar la señal del sensor para la evaluación digital por parte de la centralita, las señales de los sensores necesitan una preparación específica. La preparación de señales (SA) puede incluir, en tanto sea necesario, por ejemplo. Las siguientes funciones: • Amplificación (DC, AC). • Rectificación (también con sincronización de fases). • Evaluación de valores umbral, conformación de impulsos. • Conversión V/f, modulación de la duración de impulsos. • Filtrado de frecuencias, protección contra tensiones parásitas. • Conversión analógica/digital o digital/analógica, • Equilibrado de derivas (Offset) • Linealización. • Equilibrado de la compensación de temperatura (analógico, digital). • Puesta a cero automática, calibrado durante el funcionamiento. • Autovigilancia (diagnosis de a bordo) y funciones de test. • Regulación de sensores sometidos a un servo-mando. • Generación de una tensión alterna para sistemas de sensores de frecuencia portadora. • Estabilización de la alimentación de tensión. • Protección de las etapas de salida y de excitación contra cortocircuitos y sobretensiones. • Multiplexor de señales. • Interfase para bus (por ejemplo CAN). Todas estas funciones están generalmente disponibles en forma de circuitos integrados de aplicación específica llamados ASIC (Application Specific Integrated Circuits). Estos circuitos hechos a medida para la aplicación respectiva pueden estar dispuestos en el lado del sensor, integrados junto con el sensor o en el lado de la unidad de control. En algunos casos las diversas funciones están repartidas incluso entre los dos lados. La integración del circuito junto al sensor ofrece la ventaja de que el sensor y la preparación de señales (SA) pueden ser equilibrados y compensados en común. Forman una unidad inseparable y casi inmune a perturbaciones. En caso de fallar un componente, se cambia la unidad entera. Si la función hasta aquí descrita tenía que ser realizada antes mediante circuitos separados, las tecnologías mixtas actuales hacen posible también la integración de la función completa en un solo chip, inclusive en las células de memoria digitales programables (PROM) eventualmente necesarias. Casi en todos los casos existe incluso la posibilidad de realizar una integración monolítica del sensor y de la preparación de señales. La euforia inicial para este modo de integración ha sido suplantada entretanto por consideraciones objetivas en el aspecto de la economía. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 151 Hoy día se utilizan más bien otros métodos de integración más rentables, que corresponden al estado actual de la tecnología (híbridos de capas gruesas, zócalo y caja de chip comunes). Este concepto, más modular, es también mucho más flexible, pues es más fácil de adaptar a las nuevas aplicaciones. La mayoría de los sensores sólo pueden funcionar en combinación con estos ASIC y sus características son también definidas únicamente junto con estos circuitos. En caso de fabricar sensores no sólo para sistemas específicos de la marca, sino también para el mercado libre, esta comercialización externa debería efectuarse, en lo posible, sólo en combinación con los circuitos de preparación de señales respectivos 11.8. Ejemplos de aplicación Al principio los ASIC fueron concebidos preferentemente para ser montados en unidades de control. Por eso no pudieron tomarse en consideración ciertas exigencias que se basan en propiedades especiales, en parte individuales, de los sensores. Ahora, los circuitos se conciben en general para ser montados directamente en el sensor. Los ASIC pueden en estos casos ejercer la función de un sensor inteligente, memorizando magnitudes individuales para el equilibrado y compensación y efectuando así correcciones en caso de errores o defectos. De un sinnúmero de ASIC se expondrán aquí sólo algunos como ejemplo: ASIC CC212 El CC212 es un ASIC destinado a sensores de anillo de cortocircuito, es usado para la medición de recorridos y posiciones angulares y son utilizados en las bombas de inyección Diesel tanto rotativas como lineales. Por razón de su gran efecto de medición y de su moderada frecuencia de funcionamiento (5... 50 Khz.), los sensores de anillo de cortocircuito no requieren en todo caso la presencia de la electrónica en el lugar de montaje. Por eso se encuentra el ASIC CC212 en la unidad de control. El reúne casi toda la electrónica que es necesaria para la activación y evaluación del sensor en la unidad de control o para la regulación electrónica diesel. Ofrece una señal de salida tanto analógica como digital. Al diseñar este ASIC se renunció intencionadamente a las ventajas que ofrece una corrección individual de la característica y de la temperatura específica de esta versión de sensor, función que hubiera sido posible por la adaptación directa de la electrónica al sensor y que hubiera simplificado la estructura de éste. El reconoce automáticamente un posible cortocircuito o rotura de cable en el sensor y suprime las puntas de tensión parásita que pueden aparecer en la línea de salida del sensor. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 152 El circuito ASIC activa un sensor semidiferencial de anillo de cortocircuito en la forma de un divisor de tensión alterna (10 Khz.), siendo alimentado un extremo del divisor con una amplitud constante. El otro extremo conduce una tensión de fase inversa, cuya longitud se regula hasta que desaparece la tensión de salida en la toma del divisor de tensión. La amplitud de tensión regulada representa simultáneamente la señal de salida analógica. Figura 11.13:Diagrama de bloques de ASIC CC212. ASIC CC195 El CC195 es un ASIC destinado a sensores de picado. Los sensores de picado están fijados directamente en el bloque motor, donde registran señales de aceleración en forma de ruido propagado por estructuras sólidas. Las señales típicas en un margen de 5 a 15 Khz. que se generan en caso de una combustión detonante han de ser filtradas. Un mando de estrechas aberturas sincronizadas en función del tiempo neutraliza exactamente la fase del ciclo de trabajo en la que teóricamente puede aparecer la señal y la asigna incluso a un cilindro determinado. La señal que se manifiesta en el margen de frecuencias críticas es rectificada y, después de su comunicación, es evaluada por la unidad de control. Esta desplaza el punto de encendido en caso necesario, hasta que desaparece el picado. El circuito ASIC, que realiza las funciones descritas, está montado en la unidad de control y puede evaluar las señales de hasta cuatro sensores de picado. SENSORIZACION DE UNA MOTO DE COMPETICION ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA Alejandro Costa Perna 153 Figura 11.14:Diagrama de bloques de ASIC CC195. Interfase ASIC Los sensores de aceleración activan los sistemas de retención de un vehículo, para proteger a los ocupantes contra las consecuencias de una colisión frontal. Estos sensores se encuentran directamente dentro de la unidad de control de los airbag, montada generalmente en la consola del vehículo. Como la activación de un sistema de protección contra un choque lateral ha de tener lugar mucho más rápidamente, existe la necesidad de disponer los sensores de aceleración correspondientes en la periferia del vehículo. Desde allí transmiten sus señales digitales a la unidad central (ECU) por medio de una unión de dos conductores. La transmisión de las señales la asegura un módulo electrónico llamado PAS (Peripheral Acceleration Sensor), que contiene en un concepto de dos chips tanto el sensor de aceleración capacitivo como también sus etapas de activación y evaluación. El circuito ASIC utilizado comprende no sólo la activación del sensor y la evaluación de sus señales, sino también la activación del interfase de salida y la autovigilancia del sensor.