Tecnica. centinaia di sensori nelle nostre auto! Misurare le portate SENSORE DI PORTATA E SENSORE D OSSIGENO. Sensore d ossigeno a sbalzi di tensione

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1 Tecnica In futuro, centinaia di sensori nelle nostre auto! 4 a parte: SENSORE DI PORTATA E SENSORE D OSSIGENO Debimetro aria con valvola-sonda Sensore d ossigeno a sbalzi di tensione Misurare le portate Nell automobile, le misure di portata sono di due ordini. Su certe vetture con carburatore, dotate di computer di bordo, le misure di portata carburante sono realizzate per informare sulla quantità di carburante realmente consumato e rimanente. Dall arrivo delle gestioni motore elettroniche, il consumo di carburante è determinato tramite calcolo e le misurazioni di portata non sono più realizzate. Sulle vetture moderne, le misure di portata sono realizzate solo per determinare la quantità d aria che entra nel collettore di aspirazione, dove i sensori tubolari sono intercalati. Vi sono quattro tecnologie di sensori: a ultrasuoni, a effetto vortice, a valvola e termici. Le prime tre tecnologie non sono più utilizzate e verranno menzionate brevemente nella misura in cui è possibile incontrarle nel postvendita. Debimetro a ultrasuoni Chiamati anche debimetri a effetto transit, i debimetri a ultrasuoni funzionano secondo un principio che consiste nel misurare la velocità dell aria che attraversa il sensore, deducendone la portata. Il debimetro è costituito da due cellule (emittenti/ ricettori d ultrasuoni) poste da una parte all altra del condotto sulla linea obliqua rispetto alla direzione del flusso (fig. 1). Ogni cellula emette e riceve delle onde acustiche. Propagandosi nell aria in transizione, tali onde subiscono una variazione nella velocità di propagazione conseguentemente allo spostamento e alla velocità dell aria. L elettronica del sensore misura la differenza di tempo del percorso di un onda ultrasonora nel senso di flusso e nel senso contrario. La differenza di tempo di transizione è proporzionale alla portata volumetrica. Debimetro a effetto vortice I debimetri ad effetto vortice si basano su un fenomeno naturale. Quando una corrente d aria incontra un ostacolo, dei vortici si separano dal flusso d aria. La frequenza di emissione di questi vortici è proporzionale alla velocità di flusso (flusso vorticoso di Karman). è misurata con un sensore di pressione o di velocità (ultrasuoni). L inconveniente di questo tipo di de-

2 19 DICEMBRE 08 Debimetro aria a effetto vortice 1- Diffusore 2- Sensore 3- Vortici Fig. 1 Debimetro aria a ultrasuoni Fig. 1 Fig. 2 1 e 2- Emettitore/ ricettore a ultrasuoni l- Tragitto di misura s- Segnale di emissione t- Tempi di transito Qv- Portata volume a- Angolo di inclinazione Fig. 2 Principio del debimetro aria con valvola-sonda 1- Valvola sonda 2- Valvola di compensazione 3- Camera di ammortizzamento Q- Portata aria bimetro sta negli errori di calcolo in caso di flusso pulsante. Debimetro a valvola I debimetri di questo tipo comprendono una valvola sonda rotante, che svolge il ruolo di diaframma variabile, la cui posizione angolare aumenta con l aumentare del volume d aria aspirata (fig. 2). Un potenziometro individua la posizione angolare rappresentativa del volume d aria. La correlazione tra la portata d aria e il segnale in uscita dipende solo dalla modalità di concezione meccanica ed elettrica scelta. I debimetri utilizzati nei sistemi di iniezione KE-Jetronic presentano una caratteristica lineare (tensione in uscita proporzionale alla portata). Degli errori di misurazione possono prodursi quando l inerzia meccanica della valvola della sonda impedisce di seguire le variazioni rapide del flusso d aria (pieno carico e alto regime). Debimetro termico Questi debimetri funzionano secondo il principio del filo o film caldo. Non comprendono pezzi meccanici in movimento. Il principio della misura dal cavo caldo si basa sul mantenimento, all interno del sensore, del riscaldamento di un filo di platino ad una temperatura costante tramite regolazione: la portata d aria in transito e la temperatura hanno lo scopo di dissipare il calore del filo e quindi di far variare il valore ohmico (resistenza). Questa variazione crea uno squilibrio elettrico che l elettronica del sensore corregge, sottoponendo il filo ad una corrente più intensa (fig. 3). Per un effetto Joule, il filo si riscalda e ritrova il suo valore ohmico di equilibrio. Questa quantità di corrente, necessaria al riequilibrio, sarà riconvertita in tensione, che servirà come grandezza in uscita. Per garantire delle caratteristiche di misura costanti per tutta la durata di vita del debimetro, è necessario sgomberare il filo dopo ogni fase di funzionamento da tutti i resti presenti sulla superficie per autopulitura, portandolo brevemente ad una temperatura elevata di circa 1000 C. Per compensare il gap tra una dissipazione dovuta ad una variazione della temperatura O F F I C I N A

3 Fig.3 Principio di funzionamento di un debimetro d aria a film caldo Massa d aria debole = richiesta corrente di riscaldamento debole Massa d aria rilevante = richiesta corrente di riscaldamento rilevante Debimetro massa aria a film caldo Debimetro massa aria a filo caldo 1-Elettronica di regolazione 2-Punto di misura 3-Elemento a filo riscaldante 4-Trasmettitore di temperatura 5-Piastra di chiusura 6-Uscita acqua canale by-pass 7-Mandata aria 8-Mandata aria canale by-pass 9-Scatola filtro aria Nucleo del debimetro massa aria a film caldo dell aria e quella dovuta alla portata dell aria, l elettronica interna del sensore apporta delle correzioni sul valore di uscita, in base alla temperatura dell aria misurata da una termoresistenza riparata e posta a monte del filo. Su certi modelli del debimetro, questo termistore trasmette l informazione di temperatura aria di aspirazione alla centralina di gestione motore. Tale tecnologia permette di ottenere misure precise anche se non lineari. Quest ultima è artificialmente creata da un elettronica di condizionamento associata al sensore. Delle misure di variazione di portata nell ordine di millisecondi 1- Scatola 2- Coperchio scatola 3- Circuito elettrico 4- Elemento sensore 5- Canale di misura 6- Flusso d aria parziale sono possibili. Tuttavia, il mancato riconoscimento del senso del flusso può causare errori di misurazione rilevanti in caso di forti turbolenze nel collettore di aspirazione. L ultima generazione del debimetro massa aria a film caldo permette di ovviare a tale inconveniente. L elettronica di regolazione e l insieme degli elementi di misurazione sono riuniti su uno stesso circuito integrato. Ne risultano dei tempi di risposta leggermente maggiori dei modelli a film caldo. Le condizioni di flusso, migliori rispetto a quelle delle versioni a film caldo, rendono l autopulitura inutile. Il sensore dispone di

4 DICEMBRE Fig. 4 Principio di funzionamento del debimetro massa aria a film caldo Oscillogramma in uscita da un debimetro massa aria a film caldo Scale: 0,5 volt / divisione ; 20 ms / divisione Il segnale in uscita dal debimetro oscilla secondo i cicli del motore. E tuttavia portato da un componente continuo di 1,5 v corrispondente alla tensione in uscita dal debimetro al minimo. un canale di misurazione, attraverso il quale scorre una parte della portata dell aria. Alla base del canale si trova un circuito integrato, su cui sono incisi elettronicamente un elemento riscaldante e due sonde di temperatura (fig. 4). In assenza di flusso nel canale, la temperatura liberata dall elemento riscaldante si fa sentire in modo identico a livello delle due sonde. In presenza di flusso d aria che attraversa il canale, si opera un riscaldamento dell aria. Questo riscaldamento è registrato dalla sonda di temperatura a valle. è la differenza di temperatura prelevata dalle due sonde che determina la portata d aria in transito. In base alla temperatura positiva o negativa tra le due sonde, è possibile determinare il senso del passaggio dell aria e sopprimere gli errori di misurazione dovuti al reflusso (turbolenze). Débitmètre Curva d uscita di un debimetro a film caldo O F F I C I N A

5 Fig. 5 Tensione in uscita di un sensore d ossigeno a oscillazione di tensione Fig. 5 Fig. 6 Principio di funzionamento di un sensore d ossigeno e a oscillazione di tensione 1- ceramica 2- elettrodi 3- contatto 4- contatto scatola 5- tubo di scarico 6- strato di protezione in ceramica (poroso) Fig. 6 Logica di funzionamento di un sensore d ossigeno a oscillazioni di tensione Sensore d ossigeno Sensore a oscillazioni di pressione I sensori d ossigeno sono utilizzati nel processo di combustione per regolare la miscela aria/carburante esattamente al valore l (lambda) = 1. Questi sensori sono anche chiamati sonde di miscela o sonde Lambda. Essi informano l elettronica di regolazione sul tasso residuo di ossigeno a livello dello scarico, per adattare a monte la combustione della miscela. Per funzionare, confrontano il tasso di ossigeno dei gas di scarico con quello dell aria. Sono costituiti da un corpo in ceramica, le cui superfici sono provviste di elettrodi in platino, permeabili ai gas di scarico. Tale corpo è concepito in modo tale che il lato esterno dell elettrodo sia esposto ai gas di scarico, mentre quello interno sia a contatto con l aria circostante. Se il tasso di ossigeno è differente sui due lati, una tensione elettrica compare sui terminali degli elettrodi (fig. 5). Questo fenomeno è vero solo se la ceramica è riscaldata a temperature superiori ai 350. Ecco perchè, per funzionare, il sensore deve essere riscaldato. Il segnale emesso è di tipo binario. L informazione elettrica in uscita corrisponde a un oscillazione di tensione: miscela povera = 0,1 V; miscela ricca = 0,8 V. La concezione della sonda è tale per cui l oscillazione di tensione interviene molto precisamente a l = 1. Composizione sensore d ossigeno a sbalzi di tensione 1-Due fili di contatto per il riscaldamento 2-Elemento riscaldante 3-Corpo sensore in ceramica ZrO2 4-Tubo di protezione 5-Anello di tenuta e contatto a massa dell elettrodo esterno 6- Filo di contatto per la tensione del sensore verso l elettrodo interno

6 23 DICEMBRE 08 Tensione in uscita di un sensore d ossigeno a banda larga Fig. 7 Fig. 8 Fig. 7 Logica di funzionamento di un sensore d ossigeno a banda larga Fig. 8 Concezione di un sensore d ossigeno a banda larga 1- Cellula di pompaggio d ossigeno 2- Sensore d ossigeno 3- Riscaldamento sensore 4- Canale d aria di rif. 5- Cellula di misura 6- Canale di diffusione Uh- Riscaldamento sonda Sensore d ossigeno a banda larga (LLB) La sonda d ossigeno a banda larga costituisce una nuova generazione di sonda. Contrariamente alle sonde convenzionali, la misura della miscela non si effettua tramite sbalzo di tensione, ma tramite aumento quasi lineare della O s c i l l o g r a m m a d uscita di un sensore d ossigeno a sbalzi di tensione sottomesso a una regolazione della miscela. Scale: 0,2 volt / divisione; 1 s / divisione corrente proporzionale alla miscela. La misurazione può essere effettuata in un intervallo maggiore e più preciso, necessario per l iniezione stratificata che funziona con un valore di miscela più debole. Dalla funzionalità complessa, questi sensori richiedono un elettronica specifica per la centralina di gestione motore. Il principio di funzionamento delle sonde LLB è un evoluzione delle sonde a sbalzi di tensione. Spiegazione: le sonde a sbalzo di tensione sono costituite da un corpo di ceramica con ai bordi (lato scarico e lato aria esterna) degli elettrodi che forniscono una tensione generata dal diverso tasso di ossigeno (fig. 6). Le sonde LLB riprendono la stessa base di funzionamento. La differenza sta nel fatto che si cerca di tenere costante la tensione della miscela, incorporando alla sonda una cellula di pompaggio (fig. 7). Sul lato di scarico, questa pompa comandata dalla centralina di gestione motore alimenta l elettrodo con una quantità regolata di gas di scarico (apporto d ossigeno contenuto nei gas) sufficiente al mantenimento della tensione della miscela a 450 mv. è la corrente di comando della pompa ad essere sfruttata come informazione lineare sulla miscela. Nella pratica, tutto questo meccanismo non fa intervenire alcun pezzo metallico. Le sonde LLB sono costituite da elementi chimici (fig. 8)....SEGUE O F F I C I N A