Jak fungují indukční snímače polohy a proč je potřeba technologie CIPOS — Hella Russia na DRIVE2
Co mají společného zrychlení, brzdění, řízení a řazení? Všechny tyto procesy související s bezpečnou jízdou vyžadují přesné zaznamenávání polohy mechanických součástí a kontrolu jejich pohybu. V moderním automobilu jsou tyto funkce realizovány pomocí bezkontaktních indukčních snímačů polohy, které jsou také známé jako snímače dráhy nebo snímače úhlu polohy. Stále hrají prim ve stále větším počtu aut a brzy se bez nich neobejde. Vysvětlujeme, proč tomu tak je, jak fungují, co je technologie CIPOS a co s ní má Hella společného.
Základní konstrukce indukčních snímačů
Činnost snímače je založena na jevu elektromagnetické indukce. Jde o to, připomeňme si stručně školní kurz fyziky, že v uzavřeném vodiči umístěném ve střídavém magnetickém poli vzniká elektrický proud. Pamatujete si na experiment, kdy byl ke svorkám cívky s několika závity drátu připojen voltmetr a poté byl do cívky vložen magnet? V tomto případě se jehla voltmetru vychyluje – k tomu dochází v důsledku elektromagnetické indukce.
Toto video vypráví více o fenoménu samotném a historii jeho objevu. Udělejte si tři minuty, abyste si oprášili své znalosti:
Pozor: kovový magnet se nedotýká závitů cívky, ale reaguje na její přiblížení a vyjmutí.
Nyní se podíváme na to, jak funguje indukční senzor. Jeho schéma zapojení je znázorněno na obrázku:
Vlivem elektrického proudu procházejícího cívkou (2) v ní vzniká magnetické pole. Protože magnetická vodivost železného jádra (1) je lepší než vodivost vzduchu, magnetické pole se koncentruje v jádru a rozptyluje se ve vzduchu.
Pokud se v blízkosti jádra cívky objeví kovový předmět (3), rozptyl magnetického pole se sníží a magnetický tok v jádru se zvýší. Změna magnetického pole způsobí změnu velikosti elektrického proudu v cívce – změní se napětí na rezistoru R – senzor se spustí. Jinými slovy, vzhled kovového předmětu v magnetickém poli cívky změní jeho indukčnost – změnu indukce zaznamená elektronika. (Samozřejmě ve skutečnosti je obrázek složitější, ale pro základní pochopení činnosti indukčního snímače lze detaily vynechat.)
Je zřejmé, že indukční snímač reaguje pouze na kovové prvky – nekovové předměty nevedou elektrický proud, takže na ně nepůsobí střídavé magnetické pole. Navíc, protože magnetické pole se vzdáleností rychle klesá, musí být sledovaný objekt umístěn v zóně citlivosti senzoru.
V tomto videu je princip fungování indukčních senzorů diskutován na vyšší úrovni – k jeho pochopení potřebujete znalosti fyziky:
Výhody indukčních snímačů
Z popisu konstrukce indukčních snímačů vyplývají dvě jejich důležité (zejména pro automobilový průmysl) vlastnosti: za prvé se během provozu neopotřebují – prostě se v nich nemá co zlomit; za druhé je možné učinit pouzdro snímače vodotěsné.
Použití vysokofrekvenčního střídavého proudu pro napájení cívky zvyšuje odolnost snímačů proti rušení: nereagují na magnetická pole, která vznikají při provozu elektromotorů a když velké proudy protékají vodiči položenými v blízkosti snímačů.
Indukční snímače se od ostatních typů snímačů liší také dalšími výhodami:
— vysoká přesnost;
— rychlá odezva a bez setrvačnosti;
— schopnost pracovat v širokém teplotním rozsahu;
— schopnost pracovat ve vlhkém a chemicky agresivním prostředí;
– flexibilita designu.
V činnosti indukčních snímačů je velmi málo systematických chyb. Snímače jsou citlivé na nestabilitu napájecího napětí, což je však kompenzováno mírnou komplikací elektrického obvodu pro jejich zapojení.
Co je technologie CIPOS a proč je důležitá?
CIPOS® (z anglického Contactless Inductive Position Sensors) je technologie Hella, na základě které byly vyvinuty bezkontaktní indukční snímače polohy splňující požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu.
Společnost Hella vyvinula technologii CIPOS na konci 1990. let. Dnes se používá v elektronických snímačích pedálů, snímačích převodky řízení, snímačích seřízení karoserie a snímačích polohy namontovaných na hřídeli motoru. Stejná technologie je použita v hnacím mechanismu turbodmychadla, škrticích klapkách, relé mřížky a solenoidových ventilech.
Zvláštnost bezkontaktních snímačů CIPOS spočívá nejen v jejich vysoké spolehlivosti a spolehlivosti. Navíc umožňují určit polohu ovládaného prvku v absolutních hodnotách. Díky tomu může senzor ihned po zapnutí napájení hlásit řídící jednotce správné údaje. To je výhoda absolutních snímačů oproti inkrementálním snímačům, které po zapnutí vyžadují kalibraci pro určení „referenčního bodu“. Digitální zpracování signálu je prováděno čipy vyvinutými společností Hella, které jsou součástí konstrukce každého snímače CIPOS.
Vzhledem k tomu, že úsilí inženýrů je zaměřeno na snížení hmotnosti a rozměrů automobilů za účelem úspory energetických zdrojů, uspořádání jednotek je stále hustší. V důsledku toho je motorový prostor stísněný – a teplejší. Kompaktní a flexibilní senzory CIPOS jsou schopné pracovat v podmínkách vibrací, vysoké vlhkosti a extrémních teplot od –40°C do +170°C a více. Jejich tvar, rozměry a rozsah měření se přitom snadno přizpůsobí řešení konkrétních problémů.
Technologie CIPOS zůstává klíčovou součástí samořídících automobilů a elektrických vozidel. Elektromobily využívající bezkomutátorové motory mají působivou účinnost, a proto generují vysoký proud. Senzory CIPOS, které pracují indukčně v rozsahu 3-4 MHz, nepoužívají permanentní elektromagnety, a proto nejsou přirozeně ovlivněny magnetickými poli generovanými proudem motoru.
Kde najít indukční senzory v autě
Toto krátké video od Helly vám pomůže získat obecnou představu o tom, kde jsou indukční senzory umístěny v moderním autě:
Pokud raději čtete než sledujete, zde je přibližný, ale ne úplný seznam součástí a sestav, kde se v moderních autech používají indukční senzory:
— snímače polohy plynového a plynového pedálu;
— snímače brzdového a spojkového pedálu;
— hnací mechanismus přeplňování;
— snímač relé ovládání mřížky chladiče (hovorově „žábry“);
— různé solenoidové ventily.
V produktové řadě Hella je mnoho indukčních snímačů. Zde je několik příkladů, které čtenáři pomohou získat o nich podrobnější představu.
750 milionů a více v budoucnu
Kombinace schopností a spolehlivosti indukčních snímačů jim poskytuje širokou škálu aplikací. Jsou příkladem skutečně sériově vyráběného produktu. Hella během dvou desetiletí vyrobila více než 750 milionů senzorů a jejich produkce roste.
Indukční senzory jsou nezbytnou součástí automatizace a jsou široce používány v elektrických vozidlech. Je to přirozené, protože elektromobil je poháněn elektromotory, které vytvářejí nepříznivé elektromagnetické prostředí, ve kterém senzory založené na alternativních principech jen obtížně fungují. V příštích několika desetiletích se bude vyrábět mnohem více elektrických vozidel. I General Motors oznámila, že po roce 2035 přestane vyrábět auta se spalovacími motory. To znamená, že výroba a použití indukčních senzorů bude stále širší.
S nabídkou snímačů Hella v katalogu se můžete seznámit pod odkazem. Pokud máte nějaké dotazy, zeptejte se je v komentářích pod tímto příspěvkem – pokusíme se na ně odpovědět.