7. Sensorik, Aktuatorik und Systemtechnik Sensoren - fst

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7. Sensorik, Aktuatorik und Systemtechnik
Sensoren zur Lasterfassung
Drosselklappenpotentiometer
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Erfassung der Drosselklappenstellung
Spannungsabfall ist Signal für
Drosselklappenstellung
Schleifarme tasten eine (oder zwei)
Widerstandsbahnen ab
2 Widerstandsbahnen erhöhen Genauigkeit und
Sicherheit
– Spannungsabfall ist meist gegenläufig
gemeinsam mit Drehzahlsignal und
Ansauglufttemperatur wird die angesaugte
Luftmenge berechnet (Kennfeld)
wird Last über andere Sensoren ermittelt € Poti
für Dynamikfunktion (Beschl.) oder
Bereicherkennung und Notlaufsignal bei Ausfall
des Hauptlastsensors
oft Schalter zur Leerlauferkennung im Gehäuse
Quelle: Europa-Verlag
Luftmengenmesser
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mit Stauklappe (die unter Federspannung einer Spiralfeder steht)
Luftströmung lenkt Stauklappe gegen die Federkraft aus
Winkelstellung wird auf ein Potentiometer übertragen
über Spannungsabfall am Widerstand erkennt Steuergerät die Stauklappenstellung
€ Berechnung der angesaugten Luftmenge über gespeicherter Kennwerte
Kompensationsklappe (fest der Stauklappe verbundene)
– gleicht im Zusammenwirken mit dem Luftpolster der Dämpfungskammer von außen
einwirkende mechanische Schwingungen aus
Rückschlagventil schützt den Luftmengenmesser (Fehlzündungen)
Hitzdraht-Luftmassenmesser
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mit gespanntem Hitzdraht im Luftkanal
(Sensorelement)
wird durch elektrischen Strom auf
konstanter Temperatur von 100 °C über
der Ansauglufttemperatur gehalten
unterschiedliche Fahrzuständen (Last) €
mehr oder weniger Luftmasse angesaugt
– damit Abkühlung des Hitzdrahtes
an die Luft abgegebene Wärme muss
durch den Heizstrom ausgeglichen
werden
Größe des Heizstromes wird über
Spannung geregelt
für den Heizstrom nötige Spannung €
Maß für die Luftmasse
Abtastung erfolgt ca. 1000 mal pro
Sekunde
Hitzdrahtbruch
€ Steuergerät schaltet auf Notlauf
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(Fahrzeug eingeschränkt fahrbereit)
Ablagerungen können das Messergebnis
verfälschen)
€ nach Motorstop wird Hitzdraht
kurzzeitig auf ca. 1000 °C erwärmt und
damit freigebrannt
Luftmassenmessung mit Heißfilm (HFM)
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in zusätzlichem Messkanal zum Innenrohr
ist ein Heißfilm-Luftmassensensor
eingebaut
Heißfilm im Bypass ist unempfindlich
gegen Verschmutzungen (kein Freibrennen
notwendig)
Heißfilmsensor besteht aus drei elektrischen
Widerständen (NTC in elektrischer
Brückenschaltung) (Bild: unten rechts
– Heizwiderstand R,
(Platinfilmwiderstand)
– Sensorwiderstand RS
– Temperaturwiderstand RL
(Ansauglufttemperatur)
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Funktion des HFM
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Elektronik regelt über eine veränderliche Spannung die Temperatur des Heizwiderstandes RH,
so dass sie 160°C über der Ansauglufttemperatur liegt
Ansauglufttemperatur wird vom temperaturabhängigen Ansauglufttemperaturwiderstand RL
erfasst
Temperatur des Heizwiderstandes wird durch Sensorwiderstand RS ermittelt
bei veränderten Luftmassendurchsatz wird Heizwiderstand mehr /weniger abgekühlt
Elektronik regelt über Vergleich von Sensorwiderstand RS und Temperaturwiderstand RL die
Spannung am Heizwiderstand RH nach (erreichen der Temperaturdifferenz von 160°C)
aus dieser Regelspannung wird Signal für die angesaugte Luftmasse (Luftdurchsatz) berechnet
Heißfilm-Luftmassenmesser mit Rückstromerkennung
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zur Minimierung der Fehler durch die pulsierende Luftsäule im Saugrohr
Messergebnis wird nicht mehr durch Rückströmung verfälscht
Genauere Kraftstoffzumessung (Fehler max. +/-0,5 %)
Sensoren besitzt Heizzone (diese erwärmt vorbeiströmende angesaugte Luft)
an Messzelle M2 wird höhere Temperatur gemessen als an Messzelle M1
strömt Luft vom Motor zurück € M2 abgekühlt und M1 aufgeheizt
beide Strömungen werden registriert
Temperaturdifferenz €T wird in Spannungssignal umgewandelt
€ Berechnungsgrundlage für Steuergerät (Spannungen liegen lastabhängig zwischen 1 ... 5
Volt)
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Saugrohrdrucksensor
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kann an unterschiedliche Stellen angebracht sein (Saugrohr, SG)
enthält Druckzelle (mit 2 Sensorelementen) und Auswerteschaltung
Sensorelement besteht aus Membran (diese schließt eine Referenzdruckkammer mit
bestimmten Innendruck ein)
auf der Membran befinden sich Widerstände (Leitfähigkeit ändert sich druckabhängig bei
Verformung)
Auswerteschaltung
– Verstärkt die durch die Widerstandsänderung erzeugte Spannungsänderung
– Temperatureinflüsse zu kompensieren
– möglichst lineare Kennlinie zu erzeugen
aus Spannungsänderung wird über Saugrohrdruck die angesaugte Luftmenge ermittelt
weitere Sensoren
Temperatursensor NTC
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NTC - Negativer Temperaturkoeffizient (-beiwert).- Widerstand nimmt bei steigender
Temperatur ab
PTC - Im Grunde ist eigentlich jeder Leiter oder Glühlampendraht ein PTC €
Heizelement (z.B. Lambdasondenheizung)
Beispiel des Kühlmittel-NTC
• Der Kühlmitteltemperatursensor erfasst die Betriebstemperatur des Motors.
• Bei steigender Temperatur verkleinert sich der Widerstand und es sinkt dadurch die
Spannung am Sensor. Das<Steuergerät wertet diese Spannungswerte aus.
• Das Spannungssignal des NTC dient zur Berechnung der Gemischaufbereitung für die
Motorsteuerung. Das Steuergerät passt in Abhängigkeit der Temperaturfühlerinfo die
Einspritzzeit und den Zündwinkel an die Betriebsbedingungen an.
Quelle: Kfz-Tech.de
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Induktiver Drehzahlsensor
Quelle: TU M€nchen, FB Mechatronik
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arbeitet nach dem Prinzip des Induktionsgebers
die Drehung des Geberrades (verzahntes Rad) bewirkt eine •nderung des magnetisches
Flusses in der Spule
die Frequenz ist ein Ma‚ f€r die Drehzahl und wird €ber das Steuergerƒt ermittelt
als Signal erhƒlt man eine sinusf„rmige Schwingung, die H„he gibt Aufschluss €ber die
Spannung.
€Somit ergeben sich 3 Pr€fm„glichkeiten
1. Widerstandsprüfung: Der Widerstand bei induktiven Sensoren betrƒgt ca.
1000…
2. Spannungsprüfung: An dieser Stelle tritt eine Wechselspannung auf,
wobei die Gr„‚e je nach Hersteller unterschiedlich sein kann. Bei der
Pr€fung muss das Fahrzeug angehoben und das Rad mit ca. 60 1/min
gedreht werden.
3. Oszilloskop-Prüfung: Der Anschluss des Oszilloskops erfolgt zwischen
Pr€fklemme und Masse. Dann muss das Fahrzeug wieder angehoben und
das Rad mit 60 1/min gedreht werden.
€Weitere Pr€fungen sind die Luftspaltpr€fung, da dieser konstant bleiben muss. Ist er
das nicht, ƒndert sich der magnetische Fluss des Dauermagneten im Sensor und das SG
erhƒlt falsche oder keine Signale. Desweiteren kann Verschmutzung, besonders
Metallabrieb, die Wirkung der Sensoren beeinflussen.
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Aktive Raddrehzahlsensoren
Quelle: Boschg
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ein Sensor wird als aktiver Sensor bezeichnet, wenn für seine Funktion eine
Versorgungsspannung notwendig ist
liefert ein Signal mit drehzahlunabhängiger konstanter Amplitude
er nutzt bei der Detektierung des Drehzahlsignals das Hall-Prinzip
€!! Die Anwendung dieses Messprinzips ermöglicht eine Geschwindigkeitsmessung
bis nahe v= 0 km/h, somit sind auch die teilweise schärferen vmin-Bedingungen von
z.B. Navigationssystemen, Rückrollsperren, Einparksystemen, usw. abdeckbar
Signalverarbeitung:
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es wird eine Zweidraht-Stromschnittstelle verwendet
Versorgung des Sensors durch Bordnetzspannung € vom Sensor wird ein Stromsignal
geliefert
der kleine Strom wird als Low-Signal interpretiert, der große als High-Signal
im SG wird der vom Sensor kommende Strom an einem Messwiderstand in ein
Spannungssignal gewandelt
Sensororientiertes Drehzahlsignal
Signal Luftspaltreserve zu gering
Signal Linkslauf
Vorbit-Low
Signal Rechtslauf
Signal Linkslauf und Einbaulage unzureichend
Signal Rechtslauf und Einbaulage unzureichend
Quelle: Bosch
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ohmsche Sensoren zur Drehzahlmessung
Quelle: TU München, FB Mechatronik
Beschleunigungssensor
Klopfsensor (am Bsp. als Beschleunigungssensor)
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Klopfsensoren sind Longitudinal-Elemente
Sensor misst, den am Motorblock auftretenden Körperschall
Messbereich ca. 10g = 981 m/s2)
Frequenzbereich = Vibrationsbereich = 5 ... 20 kHz
Aufbau (Bild Bosch TB 26. Auflage S. 642)
Arbeitsweise:
– Nichtgekapseltes piezokeramisches Ringelement
– misst die auf seismische Masse gleicher Form
– auftretenden Trägheitskräfte (siehe TB 391)
1- Seismische Masse
3 – Piezokeramik
5 - elektrischer Anschluss
2 –Vergussmasse
4 – Kontaktierung
Signalverläufe Klopfsensor
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© Robert Bosch GmbH,
2002
Piezoelektrische Sensoren
Anwendung von Piezosensoren
piezoelektrischer Effekt
Piezoelektrischer Kristall
Ersatzschaltung für piezoelektrischen Sensor
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Lambda Sonde
2. Aktoren
beeinflussen (to act)
aktiv: wandeln von Informationen in der Handlung (“Messen-Steuer-Regeln-Anwendungen“)
passiv: Informationen aufbereiten und Anzeigen („Mensch-Maschine-Interface“)
typische Aktuatoren im Fahrzeug
Einspritzventil
AGR-Ventil
Starter
Elektromotoren
Drosselklappensteller
Zündkerze
Ventilaktuatoren
LDP-System
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ABS-Ventile
Schrittmotoren
Display
Airbag
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Eingangsseitig: Aktor erhält der von der Steuerung nur Information
Ausgangsseitig: Aktor leistet Arbeit und gibt Energie ab.
muss also zusätzlich mit Energie versorgt werden.
Ein Aktor ist mehr als nur der elektromechanische Wandler
Beispiel Bewegungsaufgabe:
– Ein oder mehrere Regelkreise, die Leistungselektronik, der eigentliche
elektromechanische Wandler
– und die Mechanik zur Anpassung der Bewegung an die entsprechende Aufgabe im
Prozess.
– Aus Information und Hilfsenergie wird elektrische Energie, die in mechanische Energie
gewandelt und angepasst wird.
Physikalische Effekte - elektrostatischer Effekt (Coulomb 1)
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Körper mit gleicher elektrischer Ladung stoßen sich gegenseitig ab.
Für punktförmige Ladungen Q ist die Beschreibung der Zusammenhänge besonders einfach:
Die Kraft ist proportional zum Produkt der Ladungsmengen geteilt durch das Quadrat des
Abstands.
Der Proportionalitätsfaktor enthält die absolute und die relative Dielektrizitätskonstanten.
Nach Koller ist dies der Effekt „Coulomb 1“.
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Physikalische Effekte – elektrodynamischer Effekt
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Auf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft,
die sich durch eine einfache Vektorgleichung beschreiben lässt.
Die Länge des stromdurchflossenen Leiters geht ebenfalls in die Gleichung ein. Er kann auch
mehrfach in Form einer Spule durch das Magnetfeld geführt werden.
Nach den Entdeckern heißt der Effekt Biot-Savart.
Bewegen sich geladene Teilchen durch das Magnetfeld spricht man von der Lorenzkraft.
Physikalische Effekte – elektromagnetischer Effekt (Coulomb 2)
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Formal ist dieser Effekt „Coulomb 2“ dem Effekt „Coulomb 1“sehr ähnlich.
Die Kraft ist proportional dem Produkt der Polstärke f geteilt durch das Quadrat des Abstands.
Der Proportionalitätskoeffizient enthält die absolute und die relative Permeabilitätskonstanten.
Der Effekt Coulomb 2 ist leichter umzusetzen als Coulomb 1.
Erst bei sehr kleinen Dimensionen gewinnt der Effekt „Coulomb 1“ an Bedeutung.
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Schrittmotor
3. Kabel
Durchleitung von Signalen und Informationen € Bus elektrischer Energie
Kabelbäume als komplexe und aufwendige Strukturen
4. Verbindungstechnik
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besteht aus einer Vielzahl von Technologien, mit der ein elektrischer Kontakt (dauerhaft
oder lösbar) hergestellt wird
Aufgabe ist die Leitung eines elektr. Stromes über diese Kontaktstelle
€ hierbei ergibt sich naturgemäß ein Übergangswiderstand, der meistens so klein wie
möglich sein soll
Stecker, Federkontakte,
Einpresskontakte,
Lüsterklemme,
Klemmen z.B.
Krokodilklemme,
Kabelschuh
Lötungen,
Drahtwickeltechnik,
Schneidklemme,
Schneidklemmentechnik
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Schweißungen,
Bondverbindungen,
Klebverbindungen,
Pressverb.,
Quetschverb., Nieten,
Spleißen
Umwelt- und Produktionseinflüsse bestimmen Zuverlässigkeit elektronischer
Komponenten
Einzel-, Reihen- und Kombinationsprüfungen am Beispiel Bosch (1986)
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Umweltbelastungsprogramm des Motorraumes
Klassifizierung der Elemente (über Beschreibung)
Funktion
Wozu dient das Element?
Schnittstelle zum Prozess
/ Aggregat
Funktionsentstehung, Randbedingungen,
Art der Veränderung der
Betriebsbedingungen
Schnittstelle zum Bauraum
Einbaulage,
Fertigungsablauf (Logistik,
Funktionsprüfung)
Anbindung in das
Informationsnetz
Informationsaufbereitung, -verteilung
Anbindung an das Energienetz
Welches Netz, Beeinflussung der Energiebilanz
Risikominimierungsstrategie
Fahrer (Nutzung), Hersteller (Produkthaftung)
Sicherheit, Wartung, Notlauf, ...
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Klassifizierung der Sensoren (über Beschreibung)
Schnittstelle zum Prozess /
Aggregat
z.B. physikalisch chemischer Effekt,
Grenze: physikalisch-chemische Grenze
i.d.R. ins Aggregat eingebaut,
Einflüsse durch das Aggregat (Bauraum, Temp., Vibration,
Zugänglichkeit, Masse)
Anbindung Informationsnetz
Weiterleitung des „Roh-Signals“,
bei störanfälligen / wichtigen Informationen auch
Aufbereitung (z.B. geschirmt, kodiert)
über Bordnetz versorgt,
auch mit Referenzspannung 5 Volt,
Beeinflussung des Bordnetzes gering (mW ... W)
Risikomanagement
sichere Funktion und Informationsverfügbarkeit durch
geeignete Verpackung, Verbindungstechnik und
Einbaubedingungen, Ausfallwahrscheinlichkeit minimieren,
Erkennung von Fehlfunktionen (Grenzwertbetrachtung und
Plausibilitätsprüfung)
€unplausible Informationen durch Modellwerte ersetzt, bei
sehr sensible Informationen: Mehrfachmessung
(Redundanz),
Einbindung der Wartung in OBD (€ Frühwarnung)
Klassifizierung der Aktuatoren (über Beschreibung)
Schnittstelle zum Prozess
MSR-Applikationen meist Umwandlung in / Aggregat
mechanische Größe (Position) durch elektromagnetische
Effekte,
MMI-Applikationen Umwandlung in ein Signal
(Displayanzeige),
physikalische bzw. chemische Grenzen
MSR: idR. im, Aggregat eingebaut und Einbaubedingungen
des Rades unterworfen,
MMI: designoptimierte Anzeigeeinheit
Anbindung in das Informationsnetz Ansteuerung direkt aus Kabelnetz,
Störanfällige Informationen aufbereitet und
übertragungssicher (z.B. geschirmt, kodiert)
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Klassifizierung der Aktuatoren (über Beschreibung)
Leitungsversorgung aus dem Bordnetz,
MSR: häufig auch zum Steuern eines
Regelkreises in anderem Energienetz (z.B. Servo, Airbag),
teilweise hohe (Puls-)Belastung des Bordnetzes (z.B.
Starter 1 ... 5 kW)
Risikomanagement
sichere Funktion durch geeignete Verpackung,
Verbindungstechnik und Einbaubedingungen,
Plausibilitätsprüfungen und Rückmeldung aus
Sensorinformationen,
Abschaltung bei unplausiblen Werten,
Redundanz,
OBD (Wartung)
Klassifizierung der Kabel (über Beschreibung)
Aggregat
funktionsbestimmend: Eigenschaften der
Leiter (Stoffkonstanten, Dimension),
Abhängigkeit von Belastung und Umweltbedingungen
bei Fahrzeugmontage verlegt € gleiche Logistik wie
Karoteile,
Anbindung in das Informationsnetz über Stecker / Kompaktstecker,
Stoffeigenschaften,
Isolation, Schirmung, Schutz vor Einstreuung,
Lichtleiter für hohe Datenraten
Durchleitung elektrischer Leistung (Stromstärke),
Kompromiss zwischen Gewicht, Funktion, Verlustleistung,
Montierbarkeit (Biegeradien, Bruch),
Risikomanagement
Standardisierung, Prüfung unter EMV-Gesichtspunkten,
Standardisierung der Datenübertragungsprotokolle
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Klassifizierung der Verbindungstechnik (über Beschreibung)
Aggregat
Kabelverbindung über Kontakt,
Umweltbedingungen entsprechend den Einbaubedingungen
des Aggregats,
Funktionsverhalten durch Oberflächeneffekte (Korrosion),
Geometrie, De- und Montagevorgänge (Schädigungen)
an Komponenten und Kabelbäumen, herstellerspezifische
Gleichteil- und Logistikkonzepte
Anbindung in das Informationsnetz verlustfreie und störungssichere Informationsdurchleitung,
hohe Signalspannweite (mV ... kV)
verlustfreie und störungssicher Energiedurchleitung,
hohe Bandbreite der Leistungen (mW ... kW)
Risikomanagement
meist herstellerspezifische Standardisierung,
Dichtungstechnik
Aufgabe
lösbare und leitende Verbindung
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