Автомобиль на индуктивном токе

Индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики

В современных станках и высокоточном оборудовании, где важно контролировать положение конструктивных элементов устанавливается индуктивный датчик. Для чего применяется данное устройство, какие разновидности и способы подключения существуют, как оно работает, мы рассмотрим в данной статье.

Назначение

Индуктивный датчик предназначен для контроля перемещения рабочего органа без непосредственного контакта с ним. Основной сферой применения для него является станочное оборудование, точные медицинские приборы, системы автоматизации технологических процессов, измерения и контроля формы изделия. В соответствии с положениями п.2.1.1.1 ГОСТ Р 50030.5.2-99 это датчик, который создает электромагнитное поле в области чувствительности и обладает полупроводниковым коммутатором.

Сфера применения индуктивных датчиков во многом определяется их высокой надежностью и устойчивостью к воздействию внешних факторов. На их показания и работу не влияют многие факторы окружающей среды: влага, оседание конденсата, скопление пыли и грязи, попадание твердых частиц. Такие особенности обеспечиваются их устройством и конструктивными данными.

Устройство

Развитие сегмента радиоэлектроники привело не только к совершенствованию первоначальных механизмов, но и к возникновению принципиально новых индуктивных датчиков. В качестве примера рассмотрим один из простейших вариантов (рисунок 1):

Рис. 1. Устройство индуктивного датчика

Как видите на рисунке, в его состав входят:

Принцип работы

Принцип действия индуктивного датчика заключается в способности электромагнитного поля изменять свои параметры, в зависимости от значения магнитной проводимости на пути протекания потока. В основе его работы лежит классический вариант катушки, намотанной на сердечник.

Рис. 2. Магнитное поле в состоянии покоя

При протекании электрического тока I по виткам этой катушки генерируется магнитное поле (см. рисунок 2), результирующий вектор магнитной индукции B которого определяется по правилу Правой руки. При движении магнитного поля по сердечнику, ферромагнитный материал обеспечивает максимальную пропускную способность. Но, как только линии магнитной индукции попадают в воздушное пространство, магнитная проводимость существенно ухудшается и часть поля рассеивается.

Рис. 3. Магнитное поле при введении объекта срабатывания

При внесении в область действия поля индуктивного датчика объекта срабатывания (рисунок 3), изготовленного из металла, напряженность линий индукции резко изменяется. В результате чего усиливается поток и меняется его значение, а это, в свою очередь, приводит к изменению электрической величины в цепи катушки за счет явления взаимоиндукции. На практике этот сигнал слишком мал, поэтому для расширения предела измерения индуктивного датчика в их схему включается усилитель.

Расстояние срабатывания и объект воздействия

В зависимости от конструкции и принципа действия индуктивного датчика объект воздействия может иметь вертикальное или горизонтальное перемещение относительно самого измерителя. Однако реакция сенсора на начало движения контролируемого объекта может начинаться не сразу, что обуславливается номинальным расстоянием, при котором обеспечивается зона чувствительности датчика и техническими параметрами объекта.

Рис. 4. Область и объект срабатывания

Как видите на рисунке 4, в первом положении контролируемый объект находится на таком удалении, где электромагнитные линии не достигают его поверхности. В таком случае с индуктивного датчика сигнал сниматься не будет, так как он не фиксирует перемещения в зоне чувствительности. Во втором положении контролируемый объект уже пересек расстояние срабатывания и вошел в чувствительную зону. В результате взаимодействия с объектом на выходе датчика появится соответствующий сигнал.

Также расстояние срабатывания будет зависеть от геометрических размеров, формы и материала. Следует заметить, что в качестве объекта срабатывания индуктивного датчика применяются только металлические предметы, но от конкретного типа будет отличаться и момент перехода датчика в противоположное состояние, что изображено на диаграмме:

Рис. 5. Зависимость расстояния срабатывания от материала

На практике существует огромное разнообразие индуктивных датчиков, всех их можно разделить на две большие категории, в зависимости от рода питающего тока – переменного и постоянного. В зависимости от состояния контактов в соответствии с таблицей 1 р.3 ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивные датчики бывают:

По количеству измерительных цепей индуктивные датчики подразделяются на одинарные и дифференциальные. Первый из них обладает одной катушкой и одной цепью измерения. Второй тип подразумевает наличие двух сенсоров, измерительные цепи которых включаются в противофазу для сравнения показаний.

Рис. 6. Одинарый и дифференциальный датчик

По способу передачи данных индуктивные датчики подразделяются на аналоговые, электронные и цифровые. В первом случае применяются те же катушки и ферромагнитные сердечники. Электронные используют триггер Шмидта вместо ферромагнетиков для получения гистерезисной составляющей. Цифровые выполняются в формате печатных плат на микросхемах. Помимо этого виды подразделяются по количеству выводов датчика: два, три, четыре или пять.

Читайте также:  Американские или европейские автомобили

Характеристики (параметры)

При выборе индуктивного датчика для решения конкретной задачи руководствуются параметрами цепи, в которых он будет функционировать и основной логикой схемы. Поэтому обязательно проверяется соответствие их параметров:

Примеры подключения на схемах

Конструктивные особенности индуктивных датчиков определяют количество их выводов и способ дальнейшего подключения. В виду того, что существует четыре наиболее распространенных типа, рассмотрим примеры схем их подключения.

Двухпроводных датчиков индуктивности

Как видите на схеме выше, двухпроводные индуктивные датчики применяются исключительно для непосредственной коммутации нагрузки: контакторов, пускателей, катушек реле в качестве электронного выключателя. Это наиболее простая схема и модель, но работа конкретной модели сильно зависит от параметров подключаемой нагрузки.

Трехпроводных датчиков индуктивности

В трехпроводной схеме присутствует два вывода на питание самого индуктивного датчика, а третий, предназначен для подключения нагрузки к нему. По способу коммутации их подразделяют на PNP и NPN, первый вид коммутирует положительный вывод, откуда и происходит название, второй тип коммутирует отрицательный вывод.

Четырехпроводных датчиков индуктивности

По аналогии с предыдущим датчиком, четырехпроводный также использует два вывода 1 и 3 для получения питания. А вот 2 и 4 вывод используется для подключения нагрузки с той разницей, что коммутация для обеих нагрузок будет противоположной.

Пятипроводных датчиков индуктивности

В пятипроводном индуктивном датчике два вывода применяются для подачи напряжения на чувствительный элемент датчика, в рассматриваемом примере это 1 и 3. Два вывода 2 и 4 подают питание на разные нагрузки, а управляющий вывод 5 позволяет выбирать различные режимы работы и менять логику переключений.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами сенсорных устройств индуктивные датчики продолжают занимать весомую нишу, наращивая темпы внедрения в различные сферы промышленности и отрасли народного хозяйства. Такое частое применение объясняется рядом весомых преимуществ:

Но, вместе с тем, существуют и недостатки индуктивных датчиков, которые не позволяют использовать их повсеместно. Среди наиболее существенных минусов являются громоздкие размеры, не позволяющие монтировать их в любых устройствах. Также к недостаткам относится зависимость параметров работы от температурных и других факторов, вносящих поправку на точность.

Источник

ГАЗ 31 › Бортжурнал › Электронная система зажигания со статическим распределением энергии. Теория

Прежде чем начать хочу выразить огромную благодарность другу Диме за его помощь во всём!

Это ГАЗ 31105 «Волга». Большая машина, достаточно комфортабельная, правда не очень экономичная :-). Однако, мой экземпляр оснащен не новым инжекторным двигателем, а устаревшим карбюраторным ЗМЗ 402, который, правда, неприхотлив к качеству бензина и имеет хорошую ремонтопригодность. Ну и цена такой машины значительно ниже. При постепенном «тюнинге» авто, дошло дело и до системы зажигания.
В оригинале 402-ой мотор оснащен бесконтактной системой зажигания с индукционным датчиком. Немного расскажу о существующих системах зажигания бензиновых двигателей. Может кому-то будет интересно.
Во всех системах зажигания основным элементом, вызывающим зажигания горючей смеси в цилиндре двигателя является свеча зажигания.

Фактически, она представляет собой разрядник, состоящий из бокового электрода 1, соединенного с корпусом двигателя и центрального электрода, который выведен на «колпачок» свечи. Электроды разделены керамическим изолятором, который является корпусом свечи. При подаче на электроды высокого напряжения, происходит пробой искрового промежутка Х — «искра», которая вызывает зажигания горючей смеси. Напряжение, нужное для пробоя зависит от величины зазора Х и других факторов. В современных системах зажигания она достигает 20 000 — 35 000 вольт, что обеспечивает надежное возникновения искры при любых условиях.
Вторым важным элементом является источник импульсов высокого напряжения. Во всех системах используется высоковольтный трансформатор, более известный как «катушка зажигания».

Как и любой трансформатор он содержит первичную (низковольтную) обмотку с малым количеством витков и вторичную (высоковольтную) с большим числом витков.
Для того, чтобы на вторичной обмотке образовался высоковольтный импульс, на первичную следует подать импульс тока от источника питания (аккумулятора или генератора).
По принципу формирования этого импульса различают два основных вида систем зажигания — конденсаторные и с индуктивным накоплением энергии.
Конденсаторные системы (CDI — capacitor discharge ignition) содержат конденсатор, который заряжается от бортовой сети (в основном через повышающий преобразователь) и в нужный момент зажигания переключается на первичную обмотку катушки зажигания, разряжаясь на нее. В автомобилях конденсаторные системы не пользуются большой популярностью, однако они широко используются на мототранспорте. Катушка для таких систем обычно отличается меньшими размерами и весом, основным недостатком является малая длина высоковольтного импульса.
Системы с индуктивным накоплением энергии используют явление самоиндукции. То есть, если попытаться резко разомкнуть цепь, в котором ток течет через индуктивность, на выводах катушки индуктивности формируется импульс напряжения, многократно превышает начальное напряжение питания. В таком случае, в качестве индуктивности используется первичная обмотка катушки зажигания:

Читайте также:  Автохолодильник для легковых автомобилей

А вот сам процесс «прерывания» может происходить двумя способами. Первый, который использовался во всех старых автомобилях, это контактный. Практически повторяет изображенную на рисунке схему. Контакты «прерывателя» входят в состав датчика-распределителя зажигания, который также называют «трамблером»

Параллельно контактам в таких системах включают конденсатор, который при правильном подборе емкости предотвращает обгорания контактов и продлевает высоковольтный импульс. Такая система проста, однако надежность ее невысока из-за наличия механических контактов, которые могут обгорать, загрязняться, изгибаться и тем самым влиять на работу системы. Ведь важна не только величина тока через катушку, а и момент срабатывания контактов относительно угла поворота коленчатого вала двигателя (угол опережения зажигания). Кроме того, в данной системе нельзя получить большую мощность импульса, так как при увеличении тока в цепи катушки контакты будут активно выгорать в момент размыкания.

Новые двигатели оснащают, как правило, бесконтактными электронными системами зажигания, где датчиком момента зажигания является любой бесконтактный датчик (чаще всего это магнитный датчик Холла, однако встречаются и другие типы датчиков), а непосредственная коммутация катушки осуществляется транзистором, который входит в состав специального устройства, называемого коммутатором.

Здесь энергия искры фактически ограничивается только возможностями катушки и параметрами транзистора. Можно различить два типа коммутаторов для таких систем.
В старых коммутаторах единственной их функцией было управление выходным транзистором по сигналу с датчика. Сила тока через катушку ограничивается сопротивлением первичной обмотки и не является высокой. Энергия искры в таких системах ненамного выше контактных систем. Кроме того, на высоких оборотах энергия искры уменьшается, так как за период между разрядами высокоомная катушка не успевает накопить максимальную энергию. Именно такой коммутатор установлен в моём авто.
Современные коммутаторы управляются от датчиков Холла или от сигналов с электронного блока управления двигателем и могут работать на низкоомную первичную обмотку катушки зажигания. Ограничение тока выполнено схемой коммутатора, специализированная микросхема анализирует частоту входных импульсов от датчика и включает «заряд» катушки в момент, который обеспечит максимально допустимый ток через катушку как раз к моменту следующего «размыкания». Такая система позволяет получить стабильную мощность искры на разных оборотах двигателя. Максимальный ток в первичной цепи катушки зажигания может достигать 7-10 ампер, что позволяет получить мощную искру в увеличенном искровом зазоре свечи зажигания. Такие системы называют еще системами с высокой энергией искры.

Однако, кроме получения искры в системах зажигания автомобильных двигателей существует еще одна проблема. Она связана с тем, что двигатель обычно имеет несколько цилиндров, зажигания в которых происходит поочередно. Итак, высоковольтные импульсы от катушки зажигания необходимо распределять между свечами, направляя их то на одну, то на другую. До недавнего времени, большинство автомобилей оснащались механическим распределителем, часто совмещенным с датчиком момента зажигания.

Как видим, распределитель представляет собой обычный механический переключатель, состоящий из нескольких (по числу цилиндров двигателя) контактов, расположенных по кругу, и одного подвижного контакта — «бегунка», который вращается и замыкается поочередно с одним из неподвижных. Этот узел не добавляет надежности даже самой эффективной электронной системе с коммутатором. Контакты распределителя загрязняются, обгорают, особо частым дефектом является выход из строя бегунка. На нем обычно расположен резистор для подавления радиопомех от системы зажигания (искрение на контактах распределителя генерирует широкий спектр радиопомех), и именно этот резистор часто перегревается и сгорает. Как ни странно, такой распределитель встречается и в автомобилях с инжекторными двигателям, где все управление зажиганием выполняет электронный блок управления двигателем, а не датчик момента зажигания.

В новейших авто с инжекторными двигателями начали применять другую систему, которую называют системой зажигания со статическим распределением энергии. Принцип ее действия заключается в использовании нескольких катушек зажигания и коммутаторов. Есть два вида такой системы — с двухвыводными катушками зажигания (каждая катушка работает на 2 свечи зажигания) и с отдельными катушками на каждую свечу.
Первая система работает благодаря особенностям работы двигателя внутреннего сгорания — искра одновременно возникает в двух свечах, однако вторая расположена в цилиндре, где в данный момент происходит такт выпуска отработанных газов и соответственно не влияет на работу этого цилиндра. через оборот коленчатого вала цилиндры по циклу «меняются местами». Такая система проста, для четырехцилиндрового двигателя содержит две катушки и два коммутатора (иногда объединенных в единый модуль зажигания). Единственный ее недостаток — разная полярность высоковольтных импульсов на свечах, что приводит к разному износу электродов свечей в паре.

Система с отдельными катушками на каждый цилиндр (обычно катушка здесь выполнена в виде модуля, надевается на колпачок свечи), дороже в реализации, поэтому используется на авто дорогого сегмента (например, AUDI A6).

Читайте также:  Аккумуляторы для автомобиля volta

Однако здесь можно достичь практически идеальных характеристик системы, все свечи работают абсолютно в одинаковых условиях, отсутствуют потери в высоковольтных проводах (если катушка надета направления на колпачок свечи).

Идея переделки системы зажигания возникла, когда после замены старого коммутатора, вышедшего из строя, начались «глюки» с новым. Основной дефект — при нагревании от длительной работы коммутатор начинал давать сбои, пропуская импульсы от датчика. Замена коммутатора на другой устранила проблему, но через некоторое время это явление начало появляться снова. Скорее всего, коммутаторы этого старого типа сейчас делают какие-то «кустари» и качество их явно не отвечает нормативам. Кроме того, бегунок распределителя часто выходил из строя.

Таким образом было принято решение заменить штатную систему зажигания ЗМЗ 402 на «двух катушечную» со статическим распределением искры. Катушки зажигания решили использовать от инжекторной «Волги» как наиболее доступные (бывают российского производства и фирмы Bosch).

Были выбраны российские катушки типа 406.3705-10 так как бошевские вдвое дороже и не так распространены в магазинах.
В оригинале катушки управляются от блока управления двигателем, но у нас старый карбюраторный двигатель и все управление зажиганием осуществляется от датчика-распределителя. Как быть?
Так как мой умный друг ДИМОН реализовывал ранее подобную систему на своем прежнем «Москвиче 2140», и система уже несколько лет работает у следующего владельца (который является его знакомым) то решение не заняло много времени. Итак:

1. Непосредственное управление катушками поручаем паре коммутаторов типа 3620.3734 или 0529.3734 компании VTNAUTO (Украина) ( www.vtnauto.com/ru/about.html ).
2. датчик-распределитель переделываем на использование датчиков Холла, причем датчики должны генерировать два сигнала поочередно для управления двумя коммутаторами.

В интернете встречается использование двух датчиков Холла от системы зажигания ВАЗ2108, установленных в точках, соответствующих 90 градусам поворота вала датчика-распределителя и специальной магнитной шторки-экрана:

Такая система требует точного изготовления «шторки» и посадочных мест под датчики, иначе угол опережения зажигания будет разный для первой и второй катушки.
Вторым вариантом является система с одним датчиком Холла и специальной шторкой, имеющей два вырезанные сектора под 90 градусов. Здесь важна только точность изготовления шторки, но сигнал от датчика должен проходить через специальный блок согласования, который вырабатывает управляющие импульсы на коммутаторы — на один, когда датчик изменяет состояние из 0 в 1 и во второй — когда с 1 в 0. Такие системы есть в продаже, но ориентированы на доработку распределителей ВАЗ

Изготовить ее самому под конструктив «волговского» распределителя мешала необходимость соблюдения точности шторки.

Поэтому, мой умный друг ДИМОН решил пойти третьим путем. Способ не его, он был найден еще давно на форумах.
Существует уже готовая система, где есть и датчик, и магнит, разделенный ровно на 4 части, притом датчик там двухполюсного и сразу выдает сигналы для управления через 90 градусов! Причем она общедоступна и очень недорогая. Это — компьютерный вентилятор для корпусов / блоков питания.

Дело в том, что он содержит бесколлекторный двигатель, который управляется с помощью такого датчика Холла, а магнитом является сам магнитный ротор (4 полюсный). Эксперименты показали, что точность размещения полюсов магнитного ротора достаточно высока (думаю это обусловлено самой физикой магнита, при одинаковом по кругу сечении магнита он просто не может намагнититься неравномерно, чтобы полюса сместились.) Правда, следует осторожно обращаться с магнитом при его демонтаже чтобы не допустить механических повреждений.

Следовательно, в таком случае, сама система зажигания получается простой и не требует никаких критических элементов, которые нужно производить самому (как точная шторка или блок согласования распределяющий сигналы с датчика). Для доработки распределителя необходимо будет изготовить плату с датчиком и втулку, в которую вставляется магнит от вентилятора.

Единственное, что при такой системе не будет корректно работать тахометр и, возможно, блок экономайзера холостого хода (электронный блок выключает подачу топлива при торможении двигателем). Дело в том, что эти системы получают импульсы с выхода штатного коммутатора (по выводу К катушки зажигания), а значит их частота составляет 2 импульса на оборот коленчатого вала. В нашей системе, каждая катушка срабатывает 1 раз на оборот, то есть нужно как бы суммировать импульсы с двух катушек. Эту проблему попробуем решить блоком согласования на основе микроконтроллера. Так как непосредственно на работу двигателя он не влияет, то считаем, что надежности самодельного блока хватит :-).

В следующих статьях я с мои умным другом Димой будем поэтапно отображать ход развития 🙂 проекта. До встречи!

Источник

Ответы на популярные вопросы