устройство, принцип работы, виды, схемы подключения

Большинство автолюбителей еще помнят те времена, когда перед каждым выездом им приходилось опускать металлический щуп в бачок для проверки уровня масла. Но эта задача утратила свою актуальность в связи с повсеместным внедрением электроники, так как эту функцию перенял датчик уровня масла, при чем на постоянной основе. Как устроен этот датчик и чем примечательна его работа, мы рассмотрим в данной статье.

Устройство

На сегодняшний день существует достаточно большое количество датчиков уровня масла, отличающихся конструктивными особенностями и принципом действия. Устройство автомобильного сенсора мы рассмотрим на примере простейшего варианта – поплавкового датчика.

Рис. 1. Устройство датчика уровня масла

Как видите на рисунке 1 выше, датчик уровня масла состоит из следующих составных компонентов:

• Управляемый магнитом контакт 1, реагирующий на приложенное извне поле. В радиотехнике этот элемент также называется геркон.
• Поплавок 2 – предназначенный для непосредственного взаимодействия с маслом. Внутри поплавка располагается постоянный магнит, вступающий во взаимодействие с герконом.
• Направляющая трубка 3 – задает направление движения поплавку, выступает в роли основания, относительно которого и происходит движение. Внутри трубки  обеспечивается герметичное пространство, где расположен как сам геркон, так и цепь его питания.
• Выводы датчика 4 – предназначены для подключения к сигнальной цепи исполнительного или измерительного устройства.

Вся конструкция устанавливается в емкость, где необходимо контролировать уровень масла, в большинстве случаев способ установки предусматривает резьбовое ввинчивание. Такой способ обеспечивает хорошую герметичность и простоту замены в случае выхода со строя.

Принцип работы

В быту и промышленности датчик уровня масла позволяет зафиксировать имеющийся объем жидкости в текущий момент времени. Для этого используются самые различные сенсоры, но наиболее простым и понятным для понимания будет датчик поплавочного типа, поэтому в качестве примера мы рассмотрим принцип действия на его примере.

Рис. 2. Принцип действия датчика уровня масла

Как видите на рисунке 2, датчик представляет собой герметичную трубку с запаяннымгерконом, на которой насажен поплавок. У рабочего элемента датчика движения присутствует два граничных положения – максимума и минимума жидкости относительно которых и происходит дальнейшая сигнализация и передача данных. Принцип работы заключается в следующем:

• В топливную систему автомобиля заливается масло до установленной максимально допустимой отметки. При этом обеспечивается номинальный режим работы агрегата, охлаждение камеры сгорания во время технологических процессов.
• Поплавок на этапе заполнения емкости до отметки Max также поднимается за счет архимедовой силы до своего максимального предела.
• Масло удерживает поплавок на отметке постоянно, поэтому установленный в него магнит коммутирует контакты геркона и цепь замыкается, о чем приходит соответствующий сигнал на реле или измерительное устройство.
• В случае утечки или выработки масла механизмом его уровень будет постепенно уменьшаться. Поплавок датчика начнет опускаться ниже, но магниты продолжат взаимодействовать с герконом.
• Как только поплавок датчика уровня масла опуститься до отметки Min, его магнитного воздействия станет недостаточно для замыкания контактов геркона, и они перейдут в отключенное положение.
• Цепь датчика разомкнется, и сигнал на контакты реле поступать не будет. В автомобиле сработает сигнализация о необходимости доливки масла.

Сегодня на практике применяются и другие типы сенсоров для определения уровня масла. Способ определения положения жидкости в них будет отличаться от описанного выше, поэтому далее мы расскажем о разновидностях масляных сенсоров.

Разновидности

В соответствии с положениями п.1.1.2 ГОСТ 28725-90 датчики подразделяются на защищенные от проникновения воды и пыли. Также существует отдельная категория взрывозащищенных устройств.

В зависимости от устойчивости приспособления к механическим воздействиям согласно п.1.3 ГОСТ 28725-90 датчики уровня масла можно разделить на вибропрочные и виброустойчивые.

За основу датчика взяты некоторые явления, связанные с физическими, химическими или электрическими свойствами масла, как вещества с устоявшимся агрегатным состоянием в течении всего процесса работы. На сегодняшний день наиболее популярным видами датчиков уровня масла, в зависимости от принципа действия, являются:

• Тепловые;
• Ультразвуковые;
• Электротермические;
• Емкостные;
• Поплавковые.

Рис. 3. Тепловой датчик уровня масла

Тепловые датчики (см. рисунок 3) являются наиболее распространенными в практике автомобилестроения. Конструктивно их принцип построения рассчитан на скорости остывания чувствительного элемента, как правило, металлической проволоки. Для измерения уровня проволоку, расположенную в масле нагревают до установленной температуры, заранее превышающей текущий нагрев масла. После этого проволока остывает, а в зависимости от времени выравнивания ее температуры до значения масляной среды, определяют степень заполнения резервуара.

Рис. 4. Ультразвуковой датчик

Ультразвуковые приборы (рисунок 4) основаны на принципе разности преодоления звуковыми волнами различных материалов или сред. Конструктивно этот вид содержит ультразвуковой излучатель, направляющий колебания в емкость с маслом. У масла и воздуха плотность сильно отличается, поэтому и скорость распространения волн в этих средах будет разной. Измеряя скорость движения ультразвука от источника до поверхности масла, датчик может определить наполнение объема.

Рис. 5. Электротермический датчик

Принцип работы электротермического датчика (рисунок 5) основан на зависимости сопротивления проводников, в зависимости от температуры материала. В качестве измерителя здесь используется металлическая проволока, обладающая высоким температурным коэффициентом, часть которой постоянно погружена в масло. Через проволоку пропускается электрический ток, нагревающий нить, в зависимости от глубины погружения в жидкость, отведение тепла на соответствующем участке будет лучше, сопротивление ниже, а величина тока больше. На выходе электрические параметры фиксируются и по их значению делается оценка уровня масла.

Рис. 6. Емкостной датчик

Емкостные датчики (рисунок 6) работают по принципу измерения емкости машинного масла, как диэлектрика. Конструктивно такие приспособления состоят из двух трубок 2 и 3, помещенных одна в одну, пространство между трубками заполняется диэлектриком 4. При перемещении уровня к максимальной отметке емкость между стенками трубок будет максимальной, а при постепенном снижении емкость измерительного блока 5 будет уменьшаться, что и зафиксирует электронный блок 7.

Схемы подключения

Разные модели датчика уровня масла могут отличаться и схемой подключения в конкретную цепь. Одним из примеров их использования является электропроводка транспортного средства, поэтому схема подключения будет иметь следующий вид:

Рис. 7. Схема подключения теплового датчика уровня масла

Как видите на рисунке 7 выше, оценка состояния производится сразу через датчик температуры и уровня масла. Далее сигнал передается в блоки оценки обоих параметров. В случае соответствия заложенному алгоритму функция передается в электронный блок и в виде ШИМ сигнала поступает на панель приборов. В современных авто информация о состоянии двигателя выводится на дисплей перед водителем.

Рис. 8. Общая схема подключения авиационного датчика

В отличии от автомобильного, авиационные модели датчика уровня масла завязаны по более сложной схеме, что обусловлено вопросом безопасности пассажиров во время полета. Как видите на рисунке 8, информация от измерительного устройства поступает в блок анализатора, где происходит сравнение информации с установленными параметрами работы мотора. В случае превышения критического порога, данные с анализатора передаются в блок корректировки, который через систему обратной связи проверяет информацию, получаемую с датчика. При подтверждении снижения на недопустимую величину в исполнительный блок поступает команда о добавлении жидкости в резервуар.

Применение

Сфера применения датчика уровня масла охватывает двигатели внутреннего сгорания с масляным охлаждением. Наиболее примечательны они в автотракторной технике, повсеместно наполняющей улицы. Помимо этого их можно встретить в мотоблоках, дизельных генераторах, маслонаполненных радиаторах охлаждения. В системах отопления он может совмещаться с другими измерительными приборами.

Отдельную нишу  занимает авиационная отрасль, где уровень масляных составляющих измеряется не только в системе охлаждения двигателя. Однако и требования, предъявляемые к сенсорам, нельзя сравнить с автомобилем, несмотря на то, что принцип действия у них идентичен.

В силовых трансформаторах большой мощности с вынесенным маслоуказателем функция измерения положения уровня диэлектрика также возлагают на поплавочный сенсор, который передает информацию на выведенный стрелочный циферблат.

Список литературы

Для написании статьи использовалась следующая техническая литература:

1. А. Мерников «Большая энциклопедия. Автомобили» 2016
2. В. Ф. Яковлев  «Диагностика электронных систем автомобиля» 2010
3. Д. Скляр «Ремонт автомобилей для чайников» 2010
4. Сивухин Д. В. «Общий курс физики» 1975

Датчик уровня масла

Прошли времена, когда каждый водитель перед поездкой проверял уровень масла с помощью щупа. Сейчас эта функция возложена на датчик уровня масла. Щуп, правда, остался, но им пользуются в основном при заправке двигателя маслом. Датчик уровня масла также применяется в коробке передач.

На современные легковые автомобили устанавливаются датчики уровня масла нескольких типов: поплавковый, тепловой, ультразвуковой, емкостной.

Датчик уровня масла поплавкового типа самый простой по конструкции. Он представляет собой поплавок, перемещающийся по вертикальной направляющей (трубке). Внутри поплавка расположен магнит, внутри трубки магнитоуправляемый контакт (геркон). Контакт срабатывает при приближении магнита, что соответствует минимальному уровню масла в двигателе. Контакт замыкает цепь управления, в которой формируется предупреждающий сигнал на панели приборов (знакомая всем «лейка»). Датчик срабатывает в фиксированной точке, что ограничивает область его применение на автомобилях.

Наибольшее распространение на автомобилях получил тепловой датчик уровня масла. Чувствительным элементом датчика является проволока, которая кратковременно нагревается до температуры превышающей температуру масла. После отключения питания проволока охлаждается до температуры масла. Уровень масла рассчитывается по времени, которое требуется для охлаждения чувствительного элемента (чем больше масла в картере, тем быстрее охлаждается проволока).

Измерение уровня масла сопровождается еще и измерением его температуры, которое осуществляет датчик температуры. Он встроен в корпус датчика уровня масла. Сигналы от двух датчиков подаются в блок управления двигателем и далее на панель приборов.

Разновидностью теплового датчика является электротермический датчик уровня масла. В основе датчика проволока с высоким температурным коэффициентом сопротивления. Проволока разогревается проходящим через нее током. Общее сопротивление чувствительного элемента зависит от степени погружения проволоки в масло (чем больше погружена проволока, тем ниже сопротивление). Уровень масла определяется по величине напряжения на выходе датчика.

Больше возможностей в измерении уровня масла представляет ультразвуковой датчик. Работа датчика построена на обработке ультразвуковых импульсов, отраженных от поверхности масла. Уровень масла определяется по времени между переданным и отраженным ультразвуковыми сигналами (чем ниже уровень масла, тем больше времени нужно для прохождения сигнала).

Сигналы обрабатываются электронным измерительным блоком и вместе с сигналами датчика температуры масла передаются в блок управления двигателем и далее на индикатор панели приборов. С помощью ультразвукового датчика стала возможной графическая индикация уровня масла.

Для контроля уровня масла используются два способа измерений – статический и динамический. Статическое измерение уровня масла производится на стоящем автомобиле и неработающем двигателе. Измерение запускается при включении зажигания. При нем учитывается положение автомобиля (горизонтальное, наклонное). Динамическое измерение осуществляется при движении автомобиля и учитывает обороты двигателя, продольное и поперечное ускорение, температуру двигателя.

Компания BMW применяет на своих автомобилях датчик уровня и состояния масла. Как следует из названия, датчик контролирует не только уровень масло, но и его состояние. Датчик уровня и состояния масла емкостного типа состоит из двух вертикальных конденсаторов. В качестве электродов каждого из конденсаторов используются две вставленные друг в друга металлические трубки. Между электродами находится моторное масло, которое выполняет функцию диэлектрика. Верхний конденсатор измеряет уровень масла, нижний – его состояние.

При снижении уровня масла изменяется емкость верхнего конденсатора, которая преобразуется в цифровой сигнал и передается в блок управления двигателем. По мере работы двигателя изменяются свойства масла (вязкость, диэлектрическая проницаемость), в результате чего изменяется емкость нижнего конденсатора. Для измерения температуры масла в электронный блок датчика встроен температурный датчик. Уровень масла, его температура и качество определяются непрерывно с момента включения зажигания.

С помощью датчика уровня и состояния масла реализована эксплуатация автомобиля по фактическому состоянию, а не по пробегу (сроку) как в большинстве современных автомобилей. Это условие позволяет максимально эффективно использовать моторное масло, а также сократить эксплуатационные затраты.

Обзор датчиков уровня масла и принципов их работы

Датчики и анализаторы масла используются в автомобильной и промышленной сфере для сбора или отправки ценной информации. Они могут варьироваться от простого индикатора уровня масла поплавкового типа до сложного встроенного лазерного счетчика частиц и всего, что между ними. В этой статье будут описаны различные типы датчиков уровня масла, раскрыты принципы их работы и объяснены результаты, которые они возвращают пользователю.

Механические датчики

Механический датчик является самым простым и наиболее распространенным датчиком уровня. Принцип действия магнитных, механических, кабельных и других поплавковых датчиков уровня заключается в размыкании или замыкании механического выключателя посредством прямого контакта с выключателем или магнитного действия язычка.

В поплавковых датчиках с магнитным приводом переключение происходит, когда постоянный магнит, запечатанный внутри поплавка, поднимается или опускается до уровня срабатывания. В поплавке с механическим приводом переключение происходит в результате движения поплавка против миниатюрного (микро) переключателя.

На выбор материала поплавка также влияют температурные изменения удельного веса и вязкости; такие изменения напрямую влияют на плавучесть.

Не используйте датчики поплавкового типа с очень вязкими (густыми) маслами, маслами, склонными к образованию шлама и лака, или сильно загрязненными маслами. Другие сенсорные технологии лучше подходят для этих приложений.

Особым применением датчиков поплавкового типа является определение уровня раздела сред в системах разделения нефти и воды. Вы можете использовать два поплавка, размер каждого из которых соответствует удельному весу масла с одной стороны и воды с другой.

Еще одно специальное применение поплавкового выключателя штокового типа — это установка датчиков температуры или давления для создания многопараметрического датчика. Магнитные поплавковые выключатели популярны из-за простоты, надежности и низкой стоимости.

Пневматические датчики

Используйте пневматические датчики уровня там, где существуют опасные условия, где отсутствует электроэнергия или ее использование ограничено, а также при работе с тяжелым шламом или шламом. Поскольку для срабатывания переключателя используется сжатие столба воздуха к диафрагме, технологическая жидкость не контактирует с движущимися частями датчика.

Эти датчики подходят для использования с высоковязкими жидкостями, такими как жир. Дополнительным преимуществом этого метода является то, что он является относительно недорогим методом контроля предельного уровня в системе смазки.

Ультразвуковые датчики

Используйте ультразвуковые датчики уровня для бесконтактного измерения уровня высоковязких жидкостей, а также сыпучих продуктов. Датчики излучают высокочастотные (от 20 до 200 кГц) акустические волны, которые отражаются и обнаруживаются излучающим преобразователем.

Турбулентность, пена, пар, химический туман (пары) и изменения концентрации технологического материала также влияют на реакцию ультразвукового датчика. Турбулентность и пена препятствуют правильному отражению звуковой волны к датчику.

Пар и химические туманы и пары искажают или поглощают звуковую волну. Изменения концентрации вызывают изменения количества энергии звуковой волны, которая отражается обратно к датчику. Используйте успокоительные колодцы и волноводы, чтобы предотвратить ошибки, вызванные этими факторами.

Для обеспечения наилучшего отклика на отраженный звук требуется правильная установка преобразователя. Кроме того, резервуар должен быть относительно свободен от препятствий, таких как сварные конструкции, кронштейны или лестницы, чтобы свести к минимуму ложные отражения и возникающие в результате ошибочные отклики, хотя большинство современных систем имеют достаточно «интеллектуальную» обработку эхо-сигнала, чтобы сделать инженерные изменения в значительной степени ненужными, за исключением случаев, когда проникновение блокирует «линия визирования» преобразователя на цель.

Требование к электронной схеме обработки сигналов может быть использовано для превращения ультразвукового датчика в интеллектуальное устройство. Ультразвуковые датчики могут быть разработаны для обеспечения точечного контроля уровня, непрерывного мониторинга или того и другого. Благодаря наличию микропроцессора и относительно низкому энергопотреблению также имеется возможность последовательной связи с другими вычислительными устройствами, что делает его хорошим методом настройки калибровки и фильтрации сигнала датчика, удаленного беспроводного мониторинга или связи по сети предприятия.

Подводя итог, можно сказать, что ультразвуковой датчик пользуется широкой популярностью благодаря мощному сочетанию низкой цены и высокой функциональности.

Кондуктивные датчики

Поскольку почти все масла обладают изолирующими свойствами, токопроводящие датчики уровня не являются лучшим выбором для датчика уровня масла. Однако многие жидкости в промышленности являются проводящими, поэтому эти датчики включены в эту статью.

Кондуктивные датчики уровня идеально подходят для точечного определения уровня широкого спектра проводящих жидкостей, таких как вода, и особенно хорошо подходят для высококоррозионных жидкостей, таких как каустическая сода, соляная кислота, азотная кислота, хлорид железа и аналогичные жидкости.

Для тех проводящих жидкостей, которые вызывают коррозию, электроды датчика должны быть изготовлены из титана, Hastelloy B или C или нержавеющей стали 316 и изолированы прокладками, сепараторами или держателями из керамики, полиэтилена и материалов на основе тефлона. В зависимости от их конструкции вы можете использовать несколько электродов разной длины с одним держателем.

Поскольку агрессивные жидкости становятся более агрессивными при повышении температуры и давления, учитывайте эти экстремальные условия при выборе этих датчиков.

Кондуктивные датчики уровня используют низковольтный источник питания с ограничением по току, подаваемый на отдельные электроды. Источник питания соответствует проводимости жидкости, а версии с более высоким напряжением предназначены для работы в средах с меньшей проводимостью (с более высоким сопротивлением).

Источник питания часто включает в себя некоторые аспекты управления, такие как управление высоким-низким или попеременным насосом. Проводящая жидкость, контактирующая как с самым длинным зондом (общий), так и с более коротким зондом (возврат), замыкает проводящую цепь.

Кондуктивные датчики чрезвычайно безопасны, поскольку они используют низкие напряжения и токи. Поскольку используемые ток и напряжение изначально малы, из соображений личной безопасности метод также можно сделать «искробезопасным» для соответствия международным стандартам для опасных условий.

Дополнительным преимуществом кондуктивных датчиков является то, что они являются полупроводниковыми устройствами и очень просты в установке и использовании. В некоторых жидкостях и приложениях техническое обслуживание может быть проблемой. Зонд должен оставаться проводящим. Если отложения изолируют датчик от среды, он перестанет работать должным образом. Для простой проверки пробника потребуется омметр, подключенный к подозрительному пробнику и опорному заземлению.

Основываясь на базе знаний

Существует много других методов и технологий, используемых для контроля уровня в отстойниках, но устройства, описанные в этой статье, будут наиболее распространенными почти на всех предприятиях.

Я надеюсь, что эта статья даст вам лучшее базовое представление о различных типах используемых датчиков. Как всегда, если вам нужна дополнительная информация или вы хотите обсудить эту тему более подробно, не стесняйтесь обращаться ко мне.

Об авторе

Ультразвуковой датчик уровня масла | HELLA

Общие сведения

Этот датчик используется для контроля уровня масла путем непрерывного измерения уровня масла в двигателе в статическом и динамическом диапазонах. Датчик предназначен для вертикальной установки снизу в днище масляного поддона. Внутри корпуса находятся датчик уровня, датчик температуры и электроника датчика.

Применение

Датчики уровня масла в автомобиле гарантируют, что двигатель не будет работать незамеченным при слишком малом количестве масла. Проверенная технология ультразвуковых датчиков использует принцип работы и непрерывно контролирует уровень во время движения. При работающем двигателе (динамический диапазон) уровень заметно ниже уровня в состоянии покоя (статический диапазон). Щуп проверяет уровень масла только в статическом диапазоне в мобильных двигателях. Этот датчик уровня масла способен непрерывно измерять уровень масла, т.е. как в динамическом, так и в статическом диапазоне. Таким образом, он предоставляет информацию об уровне масла в течение всей работы двигателя, которая в строительных машинах, тракторах и вилочных погрузчиках часто может занимать несколько часов. Поскольку датчик непрерывно контролирует уровень масла в течение всей работы двигателя, он предотвращает падение уровня масла ниже минимального уровня масла во время работы двигателя и, следовательно, прерывание масляной пленки (что может привести к отказу двигателя). Незначительные воздействия, такие как наклон автомобиля, боковые и продольные ускорения, компенсируются за счет усреднения измеренных значений в ECU.

Структура и функция

Архитектура датчика уровня масла PULS (упакованный ультразвуковой датчик уровня) состоит из одного многокристального модуля, на котором интегрированы ультразвуковой датчик и датчик температуры, а также специализированная интегральная схема (ASIC). Эта компактность по сравнению с датчиками, оснащенными различными электронными компонентами, обеспечивает более высокую устойчивость к ударам и вибрации. Ультразвуковой датчик, встроенный в многокристальный модуль, излучает сигнал, который отражается от граничной поверхности масла и воздуха двигателя. Измеряется время прохождения сигнала и рассчитывается уровень в зависимости от скорости звука в среде. Демпфирующая чашка, прикрепленная над многочиповым модулем, служит для успокоения среды (особенно) в динамическом диапазоне. Демпфирующая чашка имеет отверстия в основании и на конце, которые обеспечивают постоянную циркуляцию масла.

Последствия отказа

Причины отказа датчика уровня масла:

• Внутренние короткие замыкания

• Выход из строя чувствительных элементов

• Выход из строя электроники датчика

• Попадание моторного масла через повреждения корпуса .

• Отсутствует напряжение и заземление

Неисправность датчика уровня масла проявляется следующим образом:

• Горит сигнальная лампа уровня масла

• Предупреждение на многофункциональном дисплее

• Код неисправности сохранен.

Визуальный осмотр:

Если на корпусе датчика уровня масла, проводке или разъеме видны какие-либо повреждения, следует заменить датчик и/или отремонтировать проводку.

Проверка подачи напряжения и заземления:

Подача напряжения должна быть проверена на штекере датчика (следуйте инструкциям производителя), а также заземление.

Проверка с помощью осциллографа:

С помощью осциллографа зафиксируйте и отобразите сигнал на сигнальной линии (A).