Методи і способи вимірювання діагностичних параметрів

1. Вимірювання напруг

Величина напруги, що вимірюється в різних точках електричних кіл електрообладнання автомобіля, розглядається як діагностичний параметр. Для вимірювання напруги застосовуються вольтметри різних типів. Класифікація вольтметрів за різними ознаками наведена на рис. 1.

Вольтметри безпосередньої оцінки – електромеханічні стрілочні прилади різних вимірювальних систем (електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, електростатичні, термоелектричні, індукційні). До недоліків стрілочних вольтметрів слід віднести низький вхідний опір, обмежений діапазон рівня і частоти вимірюваної напруги, малу роздільну здатність, невисоку точність.

Для розширення діапазону вимірювань і підвищення вхідного опору приладу розроблені багатограничні вольтметри за потенціометричною схемою. В таких приладах послідовно з вимірювальною голівкою включається додатковий опір R_д, величина якого разом з власним опором голівки, визначає вхідний опір вольтметра.

Електронні вольтметри мають електронну вимірювальну частину, що дозволяє значно підвищити вхідний опір приладу (R_вх=10 – 100 мОм), а як індикатор в них використовується аналоговий прилад безпосередньої оцінки.

Для усунення дрейфу нуля й одержання лінійних функцій перетворення сигналу вольтметри електронного типу будують за мостовою схемою з одним чи двома активними плечима.

У цифрових вольтметрах як вимірювальна частина використовується аналогово-цифровий пристрій (АЦП), а як індикатор – цифропоказуючий пристрій. Мають високий вхідний опір R_вх>10 мОм і високу роздільну здатність, яка визначається числом знаків після коми на пристрої індикації. Цифрові вольтметри можуть бути реалізовані за схемою прямого перетворення (час-імпульсний АЦП), врівноважуючого перетворення або за схемою інтегруючого вольтметра. Клас точності складає 0,01 – 0,05, а швидкість вимірювань до 10000 вим./с.

Компенсаційні вольтметри – вольтметри постійного струму, процес вимірювання якими полягає у порівнянні напруги, що вимірюється, U_х з відомою напругою компенсації U_к. До складу вольтметра не входять електронні прилади, що обумовлює їх малу вартість. Компенсаційні вольтметри забезпечують порівняно високий клас точності – 0,5 – 0,05, однак мають недостатній вхідний опір R_вх=500…1500 Ом, придатні для вимірювання тільки постійної напруги.

Як правило, всі стрілочні електромеханічні й інтегруючі цифрові вимірювальні прилади розраховані на вимірювання діючого чи середньоквадратичного значення напруги, яка визначається за відомою формулою

Для синусоїдальної напруги функція миттєвих значень має вигляд:

де U_m – максимальне значення напруги, В;

ω – кутова частота, рад/с;

φ – кут зсуву фази, град.

Для несинусоїдальної напруги середньоквадратичне значення визначається через сукупність складових гармонік розкладу по рядах Фур’є. Якщо напруга носить імпульсний характер і до того ж шпаруватість проходження імпульсів значна, виникають складнощі щодо визначення діючого значення напруги за допомогою вимірювальних приладів. Збільшення періоду інтегрування миттєвих значень у таких випадках досягають застосуванням детекторів середньоквадратичних значень з термоперетворювачами (рис 2).

Напруга, що вимірюється, подається на нагрівальний елемент Т1 і через термопару G1 перетворюється в електричний сигнал постійного струму. Цей струм, пропорційний середньоквадратичному значенню напруги, що вимірюється. Другий термоперетворювач Т2, G2, включений у коло від’ємного зворотного зв’язку підсилювача DA, стабілізує процес вимірювання і лініарізує функцію перетворення. Поряд із простотою перетворення сигналу вольтметр такого типу має малий вхідний опір і значний час вимірювання t_вим=1...3 с.

Пікові вольтметри мають пікові детектори з відкритим (рис.3, а) чи закритим (рис.3, б) входами. Піковий детектор містить однонапівперіодний випрямляч на діоді VD та інтегруючу ємність С1.

У схемі з відкритим входом індикатор PV покаже максимальне значення напруги щодо нульової лінії, а в схемі з закритим – амплітуду щодо середнього значення без врахування постійної складової на виході детектора. Відсічення постійної складової відбувається за допомогою ємності С2.

Інколи необхідно вимірювати розмах змінної напруги. Для цього використовуються вимірювачі розмаху (рис. 4).

Такі прилади дозволяють вимірювати напругу в діапазоні U_x=0,2 – 300 В, з частотою до f=1000 мГц. Похибка вимірювань при цьому не перевищує 5%, а вхідний опір зазвичай складає R_вх=50 кОм.

Селективні вольтметри призначені для вимірювання рівня напруг окремих складових гармонічного ряду сигналу і визначення коефіцієнта гармонік. У діапазоні низьких частот вибіркова частина реалізується за рахунок включення смугового фільтру в коло від’ємного зворотного зв’язку підсилювального каскаду. На низьких частотах вибірковість забезпечується гетеродинним способом. Селективні вольтметри застосувуються при аналізі електромагнітної сумісності АТЗ в радіочастотному діапазоні і характеризуються діапазоном перетину і смугою пропускання сигналу.

Фазочутливі вольтметри призначені для вимірювання миттєвих значень вимірюваної напруги U_X у моменти часу, коли миттєві значення опорної напруги U_ОП дорівнюють нулю.

2. Використання вимірювальних генераторів і вимірювання частоти сигналу

У системах автоматичного керування робочими процесами і руху автомобіля як інформаційний використовується періодичний сигнал, частота якого пропорційна частоті обертання колінчастого вала ДВЗ, осі коліс чи швидкості руху автомобіля. До таких систем можна віднести системи керування інжекторними ДВЗ, системи круїз-контролю, антиблокувальні системи, системи запалювання, системи контролю швидкості автомобіля і частоти обертання колінчастого вала, системи автоматичного відключення стартера й ін.

При діагностуванні перелічених систем на борту або окремих їх блоків в умовах електровідділення іноді необхідно відтворювати сигнали, що імітують реакцію датчиків обертання. В іншому разі потрібно вимірювати частоти сигналів, які надходять з первинних датчиків системи. Як імітатори сигналів датчиків можуть використовуватися універсальні вимірювальні генератори низькочастотного діапазону й імпульсні генератори. Основними параметрами, що характеризують вихідний сигнал генератора є амплітуда, частота, форма, шпаруватість, вихідний опір генератора, потужність сигналу.

В універсальних вимірювальних генераторах передбачено оперативне регулювання і контроль параметрів сигналу. Генератори імпульсів широкого застосування класифікуються за декількома ознаками (рис. 5).

Час-амплітудні параметри, якими регламентується реальний прямокутний імпульс, показані на рис. 6, де А – амплітуда; b₁,b₂ – викиди відповідно на вершині і зрізі; b₃ – нерівномірність вершини; t_і, t_ф, t_з – тривалість відповідно імпульсу, фронту і зрізу.

Для вимірювання частоти сигналу використовуються електронні частотоміри різного типу і принципу дії. За схемним рішенням розрізняють частотоміри з перетворювачем частота – рівень напруги з використанням очікуючого мультивібратора, електронно-рахункові (цифрові), стробоскопічні.

Найбільш простими і дешевими є частотоміри, що використовують диференціюючі та інтегруючі RC-кола. В таких частотомірах сигнал, що частотно змінюється, перетворюється до рівня постійної напруги. Амплітуда і шпаруватість імпульсів в такому разі мають бути незмінними. Вихідна напруга таких частотомірів вимірюється, як правило, стрілочним індикатором, проградуйованим в одиницях частоти. Основним недоліком частотомірів такого типу є нелінійність функції перетворення, викликана експонентним характером заряду ємності. Знаходять застосування в пристроях граничного вимірювання (реле блокування стартера, реле обмеження частоти обертання ДВЗ, сигналізатор перевищення швидкості руху і т.ін.).

Частотоміри побудовані на базі очікуючого мультивібратора, мають порівняно лінійну передаточну функцію у діапазоні робочих частот обертання ДВЗ. Сигнал, що вимірюється, запускає очікуючий мультивібратор, який фор-мує у свою чергу імпульс фіксованої тривалості. При зміні частоти управляючих імпульсів змінюється і частота вихідного сигналу мультивібратора при постійній тривалості вихідних імпульсів. Отже, зміна частоти вхідного сигналу приводить до зміни частоти і шпаруватості вихідного сигналу, а відповідно і до зміни середнього за період струму в колі навантаження мультивібратора. Навантаженням та одночасно індикатором у таких частотомірах є стрілочний електромеханічний вимірюваний прилад. Частотоміри такого типу характеризуються порівняно невисокою точністю вимірювань і знайшли застосування в штатних тахометрах автомобіля.

Найбільша перевага віддається електронно-рахунковим частотомірам, які можуть вимірювати на цифровому рівні частоту, період проходження імпульсів, відношення двох порівнюваних частот, кількість імпульсів за заданий період часу. Обов'язковими блоками цифрових частотомірів є формувач вимірюваного сигналу, база часу, що генерує часовий інтервал вимірювання; схема співпадання, що пропускає імпульси вимірюваної частоти за час вимі-

рювального інтервалу; цифровий рахунковий пристрій, що підраховує імпульси у двійковому коді і декодування в код цифро-показуючого індикатора (рис. 7). Згідно з рисунком: ВП – вхідний підсилювач; ТШ – тригер Шмідта; ЛТ – лічильник тригерний; ДШ – дешифратор; ЦІ – цифровий індикатор; КГ – кварцовий генератор; ДЧ – подільник частоти; ТР – тригер рахунковий.

Частоту обертання колінчастого валу (КВ) ДВЗ можна вимірювати за допомогою стробоскопічного пристрою. В цьому разі підсвічуючий спалах стробоскопу формується вимірювальним генератором з відомою частотою. В разі співпадання частоти обертання колінчастого валу і частоти спалахів стробоскопа, рухлива риска, що розташована на колінчастому валу, буде спостерігатися як нерухома. Цього досягають шляхом підбору частоти вимірювального генератора. Коли ефект нерухомості досягнутий, знімають показання частоти з покажчиків (лімбів) генератора.