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Sensores
en el automóvil
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Medidores de caudal
Magnitudes de medición
La función de medir caudales se utiliza en el automóvil sólo
en dos sectores principales:
Medición del caudal
de combustible
Los sistemas de inyección de mando electrónico efectúan
la dosificación precisa de la cantidad de combustible requerida por el
motor de combustión interna partiendo de parámetros bien definidos,
tales como duración de inyección, posición del dispositivo
de dosificación, presión de inyección, temperatura del
combustible, etc. La dosificación puede efectuarse de modo continuo o
intermitente, e incluso sin medición especial del caudal. Con la llegada
de la gestión electrónica para la alimentación de motores,
no es necesario la medición del caudal de combustible ya que la electrónica
ya se encarga de dosificarlo correctamente.
Medición caudal de aire
El término "cantidad de aire" frecuentemente usado no precisa
si se trata de un volumen o de una masa. Pero como el proceso químico
de la combustión se basa terminantemente en relaciones de masa, el objetivo
explícito de la medición lo constituye la "masa de aire"
de admisión o de sobrealimentación. El flujo de masa de aire es,
por lo menos en los motores de gasolina, el parámetro de carga más
importante. Los sensores que miden una cantidad o en general un flujo gaseoso
se llaman también "anemómetros" y "caudalimetros".
El flujo de masa de aire máximo a medir está comprendido, por
término medio, entre 400 y 1200 kg/h, según la potencia del motor.
Por razón de la baja demanda de aire en ralentí de los motores
modernos, la relación entre los caudales mínimo y máximo
es de 1:90 a 1:100. Las severas exigencias impuestas a causa de las emisiones
de gases de escape y del consumo obligan a alcanzar exactitudes del 1 al 2%
del valor de medido.
El motor no recibe el aire en forma de corriente continua, sino al ritmo de
los tiempos de apertura de las válvulas de admisión. Y así
ocurre que la corriente de masa de aire sea afectada entonces por fuertes pulsaciones
(particularmente si la mariposa está ampliamente abierta) en el punto
de medición que se encuentra siempre en el tramo de admisión entre
el filtro de aire y la mariposa. A causa de resonancias que se generan en el
tubo de admisión, la pulsación es a veces tan fuerte que incluso
se producen por breve tiempo reflujos del aire. Este fenómeno aparece
sobre todo en motores de cuatro cilindros, en los que no se solapan las fases
de admisión y de carga. Un medidor de caudal exacto ha de detectar el
sentido de esos reflujos del aire.
Como ejemplos de medidores de caudal de aire tenemos de la marca BOSCH los siguientes:
Sonda volumétrica
de aire por plato sonda LMM
Aplicación
La sonda volumétrica de aire de presión dinámica LMM es
utilizada todavía en numerosos motores de gasolina equipados con determinadas
versiones de un sistema de inyección, modelos L-Jetronic o M-Motronic.
Se encuentra entre el filtro de aire y la mariposa (figura inferior). Tiene
la función de detectar el flujo volúmico de aire Q aspirado por
el motor, a fin de determinar la carga según el principio de la presión
dinámica.
Estructura y funcionamiento
El plato sonda móvil de la sonda volumétrica de aire (figura inferior,
pos. 4) desempeña el papel de un diafragma variable. El flujo del aire
de admisión QL desplaza el plato sonda contra la
fuerza constante de un muelle antagonista, de manera que la sección de
paso libre se vuelve mayor a medida que aumenta el volumen de aire.
La variación de la sección de paso libre de la sonda volumétrica
de aire en función de la posición del plato sonda se ha elegido
de manera que obtuviera una relación logarítmica entre el ángulo
del plato y el volumen de aire aspirado. Eso ha dado por resultado una gran
sensibilidad de la sonda volumétrica de aire para pequeños caudales
de aire que exigen una alta precisión de medición. 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 (6) 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 (1) unido fijamente con el plato sonda de medición
y trabajando en cooperación con un "volumen de amortiguación"
(2), amortigua las oscilaciones originadas por el aire aspirado pulsante.
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 (9) 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 neumáticamente 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.
En la figura
inferior puede verse un esquema que muestra la constitución eléctrica
interna de un potenciómetro. La rampa (1) intercalada con respecto a
la posición del cursor (2), 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. 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 (3) 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.
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. 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, con una buena aproximación, toda la sección de flujo.
Delante de él (en sentido ascendente), 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.
La rejilla protectora además de filtrar el aire, lo conduce en régimen
laminar para evitar turbulencias dentro del medidor.
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 codetermina el nivel de cesión de calor del hilo caliente al
aire. La corriente de calefacción representa, pues, una medida del flujo
de masa de aire. La corriente de calefacción genera en una resistencia
de precisión (resistencia de medición RM)
una señal de tensión UM que es proporcional
al flujo de masa de aire y que 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.
El circuito de regulación (medición) se compone esencialmente de un circuito en puente y de un amplificador (figura inferior).
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. El 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
(figura inferior) 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 (3)
bañada por la corriente de aire parcial en la entrada de aire de admisión,
y un sistema electrónico evaluador integrado (2).
Los elementos de la célula de medición están metalizados
por evaporación sobre un substrato semiconductor, y los elementos del
sistema electrónico evaluador (circuito híbrido) 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 (1). 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 y, además
de las corrientes en sentido directo, se reconocen también los reflujos.
Funcionamiento
El medidor de masa de aire de película caliente es un "sensor térmico".
Trabaja según el siguiente principio:
Una resistencia calefactora dispuesta en el centro sobre la célula de
medición (figura inferior, pos. 3) calienta una membrana sensible micromecánica
(5) y la mantiene a una temperatura constante. Fuera de esta zona de calefacción
regulada (4) disminuye la temperatura a ambos lados.
Dos resistencias dependientes de la temperatura montadas simétricamente
respecto a la resistencia calefactora flujo arriba y flujo abajo sobre la membrana
(puntos de medición MI, M2) detectan la distribución de la temperatura
sobre ésta. Cuando no pasa aire, el perfil de temperaturas (1) es igual
en ambos lados (T1 = T2).
Cuando pasa aire por encima de la célula de medición, el perfil uniforme de temperaturas sobre la membrana sufre un cambio (2). 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. La variación de la distribución de temperaturas ocasiona una diferencia de temperatura (AT) 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 (independientemente de la temperatura absoluta del aire que pasa)
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 (< 15 ms). Esto es importante, especialmente
con corrientes de aire de fuerte pulsación.
La diferencia de resistencia en los puntos de medición M1
y M2 la convierte el sistema electrónico evaluador
integrado en el sensor 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 (figura superior derecha), 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 p. ej. una
interrupción de línea. 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.
El no es necesario para determinar la masa de aire. Para ciertas aplicaciones
en algunos vehículos se toman medidas adicionales contra el agua y la
suciedad (conducto interior, rejilla protectora).
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.
También hay sensores de presión que tienen en cuenta la altitud para dosificar la mezcla en función de esta, teniendo en cuenta que a mayor altitud la presión atmosférica disminuye. La presión atmosférica se utiliza para determinar la densidad del aire a diferentes altitudes. Como el motor requiere menos carburante a altitudes elevadas, el sensor transmite una señal a la ECU para reducir el tiempo de apertura de los inyectores.
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