DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES EN EL MOTOR DEL AUTOMÓVIL
Descripción
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES EN EL MOTOR DEL AUTOMÓVIL.
JORGE ENRIQUE HERRERA ARROYAVE
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ÁREA DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL PEREIRA 2010 i
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES EN EL MOTOR DEL AUTOMÓVIL.
JORGE ENRIQUE HERRERA ARROYAVE
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO
DIRECTOR LUIS CARLOS RÍOS QUIROGA INGENIERO MECÁNICO MAGISTER EN SISTEMAS AUTOMÁTICOS DE PRODUCCIÓN
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ÁREA DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL PEREIRA 2010 ii
Nota de aceptación: ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________
___________________________________ Firma del presidente del jurado
___________________________________ Firma del jurado
___________________________________ Firma del jurado
Ciudad y fecha (día, mes, año)
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DEDICATORIA A mis padres Amanda Arroyave y Luis Enrique Herrera, fundamento esencial de mi existencia y de mis logros.
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AGRADECIMIENTOS Luis Carlos Ríos Quiroga, Ingeniero Mecánico MSc. y Director del Proyecto de Grado, por su valioso tiempo y compromiso para este proyecto. Al equipo de investigación E20 por los aportes y disposición para la realización de este proyecto para la aplicación en el Laboratorio de Pruebas Dinámicas UTP. A todos mis profesores que a lo largo de mi carrera me formaron dando de ellos el mayor esfuerzo de compromiso y la mejor forma de trasmitir conocimiento. A la Universidad Tecnológica de Pereira por darme la oportunidad de ser profesional como aporte fundamental a la sociedad.
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CONTENIDO pág. LISTA DE TABLAS ...........................................................................................................................9 LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................................10 LISTA DE ANEXOS .........................................................................................................................13 GLOSARIO .......................................................................................................................................14 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................15
1.
MARCO TEÓRICO ................................................................................................................16
1.1 TIPOS DE SEÑALES FÍSICAS ...............................................................................................16 1.2 SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS (SAD) Y DE INSTRUMENTACIÓN ..........18 1.3 CONSIDERACIONES PARA LA TOMA DE SEÑALES EN EL MOTOR DEL AUTOMÓVIL ..................................................................................................................................26 1.3.1 Parámetros del volumen de control del aceite lubricante. ..................................................35 1.3.2 Parámetros del volumen de control de la masa de aire. ......................................................36 1.3.3 Parámetros del volumen de control del combustible. ..........................................................38 1.3.4 Parámetros del volumen de control del líquido refrigerante. .............................................39 1.3.5 Parámetros del volumen de control de los gases de escape. ...............................................40
2.
DESARROLLO........................................................................................................................42
2.1 SENSORES, MONTAJE, CONEXIÓN Y OPERACIÓN......................................................42 2.1.1 Sensor presión de aceite y combustible. ................................................................................43 2.1.1.1 Características generales. .....................................................................................................44 2.1.1.2 Descripción del funcionamiento. ...........................................................................................45 2.1.1.3 Caracterización del sensor de presión de aceite combustible. ..............................................46 2.1.2 Sensor presión del multiple de admisión...............................................................................48 2.1.2.1 Características generales. .....................................................................................................48 2.1.2.2 Descripción del funcionamiento. ...........................................................................................49 2.1.2.3 Caracterización del sensor de presión del multiple de admisión. .........................................50 2.1.3 Sensor temperatura de aceite y líquido refrigerante. . ........................................................52 6
2.1.3.1 Características generales. .....................................................................................................53 2.1.3.2 Descripción del funcionamiento. ...........................................................................................54 2.1.3.3 Caracterización del sensor de temperatura de aceite y líquido refrigerante. .......................55 2.1.4 Sensor temperatura de gases de escape.................................................................................57 2.1.4.1 Características generales. .....................................................................................................58 2.1.4.2 Descripción del funcionamiento. ...........................................................................................58 2.1.4.3 Caracterización del sensor de temperatura de gases de escape............................................59 2.1.5 Sensor de oxígeno. ...................................................................................................................61 2.1.5.1 Características generales. .....................................................................................................62 2.1.5.2 Descripción del funcionamiento.. ..........................................................................................63 2.1.5.3 Caracterización sensor de oxígeno. .......................................................................................67 2.2 HARDWARE DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL ...................................................68 2.2.1 Acondicionamiento de señales de presión. ............................................................................70 2.2.2 Acondicionamiento de señal de temperatura (termistor). ...................................................73 2.2.3 Acondicionamiento de señal de temperatura (termocupla). ...............................................74 2.2.4 Acondicionamiento de señal de la sonda de oxígeno. ...........................................................75 2.3 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS, MONTAJE, CONEXIÓN Y OPERACIÓN79 2.3.1 Fuente +5 V..............................................................................................................................82 2.3.2 Indicador led............................................................................................................................82 2.3.3 Circuito de entrada análoga. ..................................................................................................82 2.3.4 Rangos de entrada análoga. ...................................................................................................83 2.3.5 Referencias de entradas análogas. .........................................................................................84 2.3.5.1 Fuentes en modo diferencial DIFF. .......................................................................................87 2.3.5.2 Fuentes en modo RSE. ...........................................................................................................88 2.3.5.3 Fuentes en modo NRSE. ........................................................................................................88 2.3.6 Circuito de salida análoga.. ....................................................................................................88 2.4 PROGRAMACIÓN DEL MÓDULO DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL EN LABVIEW ........................................................................................................................................89 2.4.1 Adquisición de datos. ..............................................................................................................92 2.4.2 Tratamiento de los datos. .......................................................................................................94 2.4.3 Visualización de datos.............................................................................................................97 2.4.4 Registro de datos. ....................................................................................................................98
7
2.4.5 Control de resistencia de caldeo. ...........................................................................................99 3. DATOS OBTENIDOS CON EL SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN EN UNA PRUEBA DE CAMPO ..................................................................................................................101 3.1 RESULTADOS PRUEBA N° 1 EN CAMPO ........................................................................101 3.2 RESULTADOS PRUEBA N° 2 EN CAMPO ........................................................................103 3.3 ANALISIS DE LOS RESULTADOS .....................................................................................104
4.
MANUAL DE OPERACIÓN ................................................................................................110
4.1 CARACTERÍSTICAS HARDWARE DE ADQUISICIÓN .................................................112 4.2 OPERACIÓN SOFTWARE DE INSTRUMENTACION VIRTUAL ................................114 4.2.1 Inicio de la aplicación. ..........................................................................................................114 4.2.2 Opciones de visualización y registro....................................................................................115 4.2.3 Vista de instrumento. ............................................................................................................116 4.3 RECOMENDACIONES DE OPERACIÓN ..........................................................................118
5.
CONCLUSIONES..................................................................................................................119
6.
RECOMENDACIONES........................................................................................................121
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................122 ANEXOS .........................................................................................................................................124
8
LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Composición del aire seco
32
Tabla 2. Configuración de pines del sensor de presión de aceite y combustible
44
Tabla 3. Datos de caracterización sensor de presión de aceite, combustible
47
Tabla 4. Configuración de pines sensor de presión multiple de admisión
48
Tabla 5. Datos de caracterización sensor presión del multiple de admisión (MAP)
52
Tabla 6. Configuración de pines sensor de temperatura de aceite y líquido refrigerante
53
Tabla 7. Datos caracterización sensor temperatura de aceite y líquido refrigerante
56
Tabla 8. Configuración de pines sensor de temperatura gases de escape
58
Tabla 9. Datos de caracterización sensor de temperatura gases de escape
60
Tabla 10. Descripción de los puntos de conexión DAQ
81
Tabla 11. Información de indicador LED
82
Tabla 12. Gama de entrada AO y resoluciones
84
Tabla 13. Conexión de señales al DAQ
87
Tabla 14. Tipos de datos numéricos en LabVIEW
80
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LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Señal analógica
16
Figura 2. Señal discreta en tiempo
17
Figura 3. Señal discreta en amplitud
18
Figura 4. Sistema de adquisición de datos
23
Figura 5. Sistema de control masa de aire
37
Figura 6. Fluctuaciones de presión en el multiple de admisión (MAP)
38
Figura 7. Sensor de presión de aceite, combustible
43
Figura 8. Pines sensor de presión de aceite, combustible
44
Figura 9. Conexión eléctrica sensor de presión de aceite, combustible
45
Figura 10. Funcionamiento sensor de presión de aceite, combustible
45
Figura 11. Curva característica sensor de presión de aceite, combustible
46
Figura 12. Sensor de presión del multiple de admisión
48
Figura 13. Pines sensor de presión multiple de admisión
49
Figura 14. Conexión eléctrica sensor de presión multiple de admisión
49
Figura 15. Célula de medición del sensor MAP
50
Figura 16. Curva característica sensor de presión de aceite, combustible
51
Figura 17. Sensor de temperatura de aceite y líquido refrigerante
53
Figura 18. Pines sensor de temperatura de aceite y líquido refrigerante
53
Figura 19. Conexión eléctrica sensor temperatura de aceite y líquido refrigerante
54
Figura 20. Curva característica sensor de temperatura de aceite y líquido refrigerante
55
Figura 21. Sensor de temperatura gases de escape
58
Figura 22. Curva característica sensor de temperatura gases de escape
59
Figura 23. (a) Bosch LSU 4.2, (b) Conector RB130
62
Figura 24. Disposición de sustratos sonda lambda
64
Figura 25. Señal de operación resistencia de caldeo
65
Figura 26. Punto de operación de la célula de concentración Nernst
66
10
Figura 27. Curva característica LSU 4.2
67
Figura 28. Tarjeta de acondicionamiento
70
Figura 29. Seguidor de tensión LM358N
71
Figura 30. LM358N
72
Figura 31. Borneras para acondicionamiento de las señales de presión
72
Figura 32. Divisor de tensión
73
Figura 33. Borneras para acondicionamiento de las señales de temperatura (Termistor) 74 Figura 34. AD595
74
Figura 35. Bornera para el acondicionamiento de la señal de temperatura (Termocupla) 75 Figura 36. Acondicionamiento LSU 4.2
76
Figura 37. Borneras para el acondicionamiento de la LSU 4.2
79
Figura 38. Módulo DAQ NI USB-6211
80
Figura 39. Circuito DAQ entradas análogas
83
Figura 40. NI-PGIA
85
Figura 41. Circuito DAQ de salidas análogas
88
Figura 42. Código fuente adquisición de datos
93
Figura 43. Icono adquisición de datos
94
Figura 44. Código fuente análisis de datos
95
Figura 45. Código fuente tratamiento matemático de los datos de temperatura del líquido refrigerante
96
Figura 46. Código fuente visualización de datos
97
Figura 47. Código fuente registro de datos
99
Figura 48. Panel frontal VI Sonda O2
100
Figura 49. Código fuente Sonda O2
100
Figura 50. Gráficas de comportamiento considerando la muestra registrada N° 392
102
Figura 51. Gráficas de comportamiento considerando la muestra registrada N° 736
102
Figura 52. Gráficas de comportamiento considerando la muestra registrada N° 164
103
Figura 53. Gráficas de comportamiento considerando la muestra registrada N° 690
103
Figura 54. Gráficas de presiones registradas en 400 s, prueba N°1
104
Figura 55. Gráficas de temperaturas registradas en 400 s, prueba N°1
105
11
Figura 56. Gráficas de presiones registradas en 400 s, prueba N°2
106
Figura 57. Gráficas de temperaturas registradas en 400 s, prueba N°2
107
Figura 58. Gráficas del factor lambda registradas en 400 s, prueba 1 y 2
108
Figura 59. Simultaneidad de señales en el DAQ
111
Figura 60. Hardware de adquisición
113
Figura 61. Inicio de aplicación
114
Figura 62. (a) Configuración de registro, (b) Forma de registro
116
Figura 63. Vista general del instrumento
117
Figura 64. Vista general graficador multiple
117
12
LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A. Diagrama esquemático tarjeta de acondicionamiento
124
Anexo B. Placa electrónica tarjeta de acondicionamiento
125
Anexo C. Tabla de resultados, de la prueba hecha con el sistema de instrumentación en campo
126
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GLOSARIO ADQUISICIÓN: recolección de un conjunto de variables físicas, conversión a tensión y digitalización de manera que se puedan procesar en un ordenador. BIT DE RESOLUCIÓN: número de bits que el convertidor analógico a digital (ADC) utiliza para representar una señal. DATO: representación simbólica (numérica, alfabética...), atributo o característica de un valor, convenientemente tratado (procesado) se puede utilizar en la relación de cálculos o toma de decisiones. EGO: sonda no calentada. HEGO: Sonda calentada; cuando es de 4 cables, el retorno de la señal también está ligado a la carcasa de la sonda. HO2S: terminología usada en el protocolo OBDII para identificar al sensor de Oxígeno calentado (norma SAE51930). ISOHEGO: sonda lambda, siempre de 4 cables y el retorno de la señal está aislado a la carcasa, esto hace que la señal sea menos ruidosa. RANGO: valores máximo y mínimo entre los cuales el sensor, instrumento o dispositivo funcionan bajo unas especificaciones. SISTEMA: conjunto organizado de dispositivos que interactúan entre sí para realizar un trabajo en común. PARÁMETROS FIJOS DEL MOTOR: son aquellos que no tienen variación alguna en la operación del motor como la medida del pistón, la cantidad de cilindros etc. NEXUS: sistema de instrumentación que permite medir variables físicas relacionadas con los automóviles. UEGO: Sensor de Oxígeno universal de relación aire/combustible.
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INTRODUCCIÓN Las emisiones de gases por parte del parque automotor colombiano contribuyen en cierta medida a la contaminación mundial, por lo tanto, investigadores han optado por plantear estrategias para la reducción de agentes contaminantes en el medio ambiente, es entonces como los biocombustibles entran a jugar un papel importante en la sociedad. La utilización del bioetanol como combustible en el automóvil proporciona una alternativa en la reducción de la contaminación en el medio ambiente, pero para dar este paso en el país, es necesario justificar el buen funcionamiento de este
alcohol dentro del automóvil,
especificando causas y efecto que puedan impactar las actividades generales de la sociedad y del medio ambiente. Como aporte fundamental a la investigación realizada por la Facultad de Ingeniería Mecánica, mediante el proyecto de investigación e innovación E20, se da paso a la investigación aplicada en el campo de la instrumentación de tal forma que dé solución a la toma de datos en el automóvil referente al comportamiento de variables de temperatura, presión y cantidad de oxígeno en los gases de escape para que de esta forma se pueda llevar un estudio detallado de los cambios físicos que se experimentan en diferentes partes del automóvil al cambiar los porcentajes de las soluciones químicas del combustible. El sensor de presión de aceite y el de combustible
proporcionan datos
fundamentales en el comportamiento del motor así como también el sensor de temperatura de aceite y el del líquido refrigerante. El sensor de oxígeno y el sensor de temperatura en los gases de escape, indican valores que representan los niveles de contaminación mediante el cual los investigadores pueden llegar a conclusiones importantes y así aportar soluciones al control de las emisiones de gases al medio ambiente. Las soluciones desarrolladas bajo la instrumentación virtual permite monitorear y registrar los datos que proporciona cada uno de los sensores bajo el ambiente gráfico LABVIEW, permite estudiar los resultados en una forma dinámica y acertada dando seguimiento periódico a cada una de las variables. La adquisición de datos como interfaz entre los sensores y el computador se ejecuta por la tarjeta de de la serie M NI USB 6211 cuya aplicación se da en los canales de entradas análogos que darán lectura a la programación gráfica, visualización y registro de los datos requeridos en forma instantánea.
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1. MARCO TEÓRICO 1.1 TIPOS DE SEÑALES FÍSICAS Se considera como señales, las variaciones a lo largo del tiempo de las entradas o salidas de un sistema. Obviamente, estas señales pueden ser de distinta naturaleza, y por tanto sus unidades físicas pueden ser diversas. Según cómo sea la variación de estas señales, podemos clasificarlas dentro de dos grandes grupos: señales analógicas y señales discretas. Señales analógicas: Son aquellas cuya variación, tanto en amplitud como a lo largo del tiempo, es continua (ver figura 1). Es decir, pueden tomar cualquier valor real, en cualquier instante de tiempo. Figura 1. Señal analógica
Fuente: [7]
Señales discretas: Este tipo de señales no tiene una variación continua como las anteriores, sino que su evolución se rige por un determinado conjunto finito de valores posibles. Según dónde tome este conjunto de valores, podremos distinguir entre señales discretas en amplitud o discretas en tiempo. Señales discretas en tiempo: Sólo tienen valor en instantes de tiempo predeterminados (ver figura 2). Y aunque su amplitud puede ser cualquier valor dentro del rango de los reales, el valor de la señal entre dos instantes de tiempo consecutivos no está definido. Para ilustrar 16
esta clase de señales, denominadas "discretas en el tiempo", supongamos que la señal de interés proviene de las imágenes captadas por una cámara de cine. Una cámara de cine toma en realidad fotografías fijas a razón de entre 24 y 30 fotografías por segundo (esta velocidad es lo suficientemente grande como para engañar al ojo humano y dar la impresión de que se trata de imágenes de objetos en movimiento). En este ejemplo se trata de muestras de imágenes en movimiento, captadas lo suficientemente rápido como para que su contenido de información no se pierda. Cada cuadro de la película que representa una imagen fija de la escena filmada es una muestra de la realidad continua, y la reconstrucción de la señal a partir de dichos cuadros o muestras fijas la realizan el ojo y el cerebro humano de manera tal que el observador en ningún momento se percata de la naturaleza discreta de lo que está viendo.
Figura 2. Señal discreta en tiempo
Fuente: [7]
Señales discretas en amplitud: En este caso, la señal toma el valor en cualquier instante de tiempo (ver figura 3), pero estos valores de amplitud se encuentran definidos en un conjunto de valores predeterminados. Considérese una señal proveniente de un contador de vehículos al pasar por una caseta de peaje en una carretera. En este caso, el valor que adquiere la señal de conteo puede ser uno de los números asociados con un proceso de conteo. A lo largo del tiempo pueden haber pasado por la caseta 1, 82 ó 197 vehículos la
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señal únicamente puede tomar, a lo largo del tiempo, valores de un cierto conjunto, que en este ejemplo, son los números enteros 0, 1, 2, 3, 4, 5... etc. Los cambios entre los valores enteros pueden ocurrir en cualquier instante. Figura 3. Señal discreta en amplitud
Fuente: [7]
Señales discretas en amplitud y tiempo: Cuando una señal discreta en el tiempo sólo puede tomar valores de amplitud discretos, entonces se trata de una señal discreta tanto en el tiempo como en amplitud. Este tipo de señales ha cobrado una gran importancia en las comunicaciones digitales, ya que los sistemas modernos de control y automatización son eficientes y efectivos precisamente debido a este tipo de señales. A las señales que son discretas en el tiempo y en amplitud se les denomina señales digitales, y cuando la amplitud de la señal solamente puede tomar uno de dos valores entonces se trata de una señal digital binaria. 1.2 SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS (SAD) Y DE INSTRUMENTACIÓN La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador. Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la
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transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ). La adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto (objeto de la investigación) que se desea medir. Esta propiedad física o fenómeno podría ser el cambio de la temperatura de una habitación, la intensidad del cambio de una fuente de luz, la presión dentro de una cámara, la fuerza aplicada a un objeto, o muchas otras cosas. Un eficaz sistema de adquisición de datos puede medir todas estas diferentes propiedades o fenómenos. El sensor es el dispositivo que convierte una propiedad física o fenómeno en una señal eléctrica correspondiente medible, tal como la tensión, corriente, el cambio en los valores de resistencia o capacitancia etc. La capacidad de un sistema de adquisición de datos para medir los distintos fenómenos depende de los elementos sensitivos para poder convertir las señales de los fenómenos físicos mensurables en la adquisición de datos por hardware. Hay sensores específicos para diferentes aplicaciones, como la medición de la temperatura, la presión, o flujo de fluidos. El DAQ también despliega diversas técnicas de acondicionamiento de señales para modificar adecuadamente diferentes señales eléctricas en tensión, que luego pueden ser digitalizadas. Las señales pueden ser digitales (también llamada señales de la lógica) o analógicas en función del sensor utilizado. El acondicionamiento de señal suele ser necesaria si la señal desde el sensor no es adecuada para el dispositivo que se utiliza. La señal puede ser amplificada o filtrada según las necesidades del sistema. El DAQ por lo general es la interfaz entre la señal y un PC. Podría ser en forma de módulos que pueden ser conectados a los puertos de la computadora (paralelo, serie, USB, etc.) o ranuras de las tarjetas conectadas a (PCI, ISA) en la placa madre. Las tarjetas DAQ a menudo contienen múltiples componentes (multiplexores, ADC, DAC, TTL-IO, temporizadores de alta velocidad, memoria RAM). Estos son accesibles a través de un bus por un microcontrolador, que puede ejecutar pequeños programas.
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Un software de reconocimiento para el hardware DAQ, permite que el sistema operativo del PC pueda reconocer el nuevo DAQ e interactuar con los diferentes programas y dispositivos que lo componen para dar acceso a las señales de lectura que el DAQ está recibiendo y así procesar la información captada en código máquina para su manipulación correspondiente dentro del computador. El programa de reconocimiento que realiza la programación de los sistemas de adquisición de datos para cada medida concreta, se basan en el software de reconocimiento del instrumento para la programación de éstos. Normalmente se utilizan programas escritos en lenguajes de alto nivel, o también entornos de programación específicos textuales o gráficos. Idealmente en este nivel se tendrá un conjunto de funciones que realizan cada una de las medidas y devuelve los datos adquiridos por los instrumentos una vez procesados. [12]
Estas son las rutinas (drivers) que controlan los instrumentos conectados al bus de control. Estas rutinas serán, por lo tanto, dependientes de cada instrumento. Normalmente se presentan como un conjunto de funciones de alto nivel que permiten programar un instrumento en concreto. La programación se realiza llamando a rutinas diferentes para cada función o a una rutina general con un cierto número de parámetros. Para la selección de un drivers de instrumentos conviene considerar los siguientes puntos: - El lenguaje a usar (C, Basic, Pascal,...) - Extensión de la librería de instrumentos soportados - Posibilidades de modificación de los drivers existentes - Posibilidad de incluir nuevos drivers o funciones - Disponibilidad de herramientas para el desarrollo o la verificación de nuevos drivers. La clasificación de los instrumentos definidos como sistema que realizan una medida concreta, se clasifican en dos grandes grupos: los instrumentos modulares y los instrumentos autónomos (standalone). Los instrumentos modulares son aquellos que requieren de un soporte físico y normalmente también de un soporte informático y de alimentación externa. Ejemplos de este tipo de
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instrumentos son las tarjetas electrónicas conectables al bus de un PC o a un sistema basado en VME o VXI sistemas que se explicaran en los siguientes párrafos. La principal ventaja de estos sistemas es la posibilidad de configurar un sistema complejo de medida al conectar sobre un recurso común diversas tarjetas. Al compartir una misma fuente de alimentación, un mismo bus digital y una misma estructura de soporte, los costos pueden ser menores. Normalmente la estructura de soporte es una caja tipo rack (Mainframe) con una placa posterior que contiene el bus común (Backplane) con conectores en los que se insertan los instrumentos individuales. La fuente de alimentación puede estar en la parte posterior o ocupar el espacio de una o varias tarjetas. Dentro de los instrumentos modulares se puede hacer una subdivisión entre los instrumentos para ordenadores personales y los sistemas específicamente diseñados para instrumentación industrial o de laboratorio. Actualmente existen instrumentos modulares para la mayoría de ordenadores personales y estaciones de trabajo (Workstations), como son: IBM PC/XT/AT, PS/2, Sun, DEC, NeXT, MAC, etc. A todos estos instrumentos se les denomina en inglés PLUG-IN'. También se dispone de instrumentos conectables al bus de extensión EISA y PCMCIA. Entre los sistemas modulares específicos para instrumentación tenemos: SCXI: Es un producto de National Instruments para configurar sistemas de instrumentación, de adquisición o de control, basados en PC. Es un sistema basado en módulos conectables a un rack. La adquisición de datos puede hacerse con una tarjeta electrónica insertable en el propio PC o utilizando una tarjeta específica de adquisición en el rack. En este caso la transmisión de datos se realiza por el puerto paralelo estándar del PC. CDS: Es un producto de Colorado Data System para control industrial. Permite construir sistemas de hasta 100 tarjetas electrónicas específicas controladas mediante un puerto serie, paralelo o IEEE-488. VME: Es un bus digital estándar para sistemas de 32 bits que ha tenido expansión en el entorno industrial gracias a disponer de racks con características apropiadas para entornos 21
industriales y gran número de instrumentos modulares. Su limitación es que el bus común del backplane es solo digital. VXI: Es una de las plataformas de sistemas modulares de instrumentación con un crecimiento más espectacular. Es un sistema basado en el bus digital del VME al que se han añadido más conectores al backplane. Esto ha permitido añadir más líneas digitales y, lo que es más importante, líneas analógicas y de sincronización entre módulos. A pesar de que estos sistemas incorporan el control digital y permiten realizar sistemas completos de instrumentación, todos ellos tienen posibilidades de comunicarse o ser incluso controlados por un sistema distinto. Así, por ejemplo, un rack basado en VXI puede tener un controlador del bus VXI que actúe controlado a su vez por un bus IEEE-488 al que estén conectados otros instrumentos o racks y todo a su vez controlado por un PC. Por último, los instrumentos autónomos son los que disponen de todas las funciones necesarias para realizar las medidas de forma independiente. Para poder configurar un sistema de medida utilizando este tipo de instrumentos es imprescindible que sean controlables. La ventaja evidente de utilizar equipos autónomos es su posible utilización de forma independiente pero, para especificaciones parecidas, estos equipos serán más caros que sus equivalentes modulares. Desde el punto de vista de la instrumentación virtual y de sistema, el aspecto más importante de estos instrumentos será su posibilidad de ser controlados remotamente es decir, las tareas de programación y de uso en sus puertos se hacen desde otro sistema retirado de donde se encuentra el sistema de adquisición. [12] La adquisición de datos basada en PC utiliza una combinación de hardware modular, software de aplicación y un PC para realizar medidas. Mientras cada sistema de adquisición de datos se define por sus requerimientos de aplicación, cada sistema comparte una meta de adquirir, analizar y presentar información. Los sistemas de adquisición de datos incorporan señales, sensores, actuadores, acondicionamiento de señales, dispositivos de adquisición de datos y software de aplicación. En la figura 4, se muestra en forma básica como las señales 22
físicas exteriores son captadas por una tarjeta electrónica donde opera como un puente de información a un PC. [6] Figura 4. Sistema de adquisición de datos
Convert
1 Sensor
Acondicionamiento de señal
.
DAQ
PC
A partir de la descripción realizada es necesario el uso de un entorno adecuado para gestionar los diferentes pasos requeridos en el sistema de instrumentación. Este elemento es el software de instrumentación. Dos características son exigibles en un software de instrumentación: Debe ser capaz de controlar todo el sistema (instrumentos, drivers, comunicación serie, interfaz con el usuario, control, etc.). Debe permitir el diseño personalizado de un instrumento. Dicho instrumento se denominará instrumento virtual. El software de instrumentación, de este modo, gestiona los procedimientos requeridos para realizar la medida (enviar órdenes a los instrumentos para que éstos ofrezcan las señales de prueba y capturen las señales resultantes del proceso), gestiona aquellos procedimientos necesarios para realizar una actuación sobre el sistema físico (si se realiza un control del mismo) y procesa las señales obtenidas para obtener la información objeto de la instrumentación. Con el objetivo de facilitar la generación y desarrollo de la aplicación resultado del software de instrumentación, aparecen plataformas de soporte con rutinas y herramientas encaminadas al control de la instrumentación. Este conjunto de herramientas determina lo que se conoce como instrumentación virtual. Entre estos programas pueden destacarse el LABVIEW (National Instruments), el LabWindows/CVI y el HP-VEE. Una de las principales diferencias entre la instrumentación virtual y el software de programación estructurada, viene determinada por la diferencia de programación, siendo ésta altamente
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gráfica en el primer caso. La estructura típica de un software de instrumentación virtual consta de los módulos: interfaz gráfica, programa de control, adquisición de datos, análisis de datos. De acuerdo con lo anteriormente expuesto las tarjetas DAQ permiten la entrada y salida de datos del computador a otros aparatos, donde se conectan sensores, y actuadores, para interactuar con el mundo real. Los datos que entran y salen pueden ser señales digitales o análogas, o simplemente conteos de ocurrencias digitales, tanto de entrada, como de salida. Las tarjetas se comportan como si fueran un puerto más en el computador, y poseen todo un protocolo y sistema de manejo. Existen tarjetas de alto y de bajo desempeño. Las de alto son programables, y facilitan altas ratas de manejo de información, pues son en cierta forma inteligentes y suficientes, por tanto no comprometen mucho la velocidad y rendimiento del computador. Las tarjetas de bajo desempeño requieren de un control directo del computador, y se ven limitadas por la velocidad de éste. Windows en cierta forma es un sistema operativo que no trabaja en tiempo real, para operaciones donde la rata de muestreo es muy alta, aunque para aplicaciones lentas es considerablemente bueno. En aplicaciones donde la velocidad de transferencia de datos es baja, Windows y tarjetas de adquisición simples bastan porque los tiempos perdidos por el sistema de interrupciones ya sea por mover el mouse o cualquier otra operación de un dispositivo periférico no afecta las lecturas de muestreo. Para aplicaciones de alta velocidad y tiempo real, se requiere de hardware especial, como tarjetas inteligentes, que se programen, y transfieran los datos a memoria, ya sea por rutinas de DMA (acceso directo a memoria), o por rutinas de interrupciones al procesador. Las tarjetas como cualquier otro periférico, requiere de sus parámetros de programación, y hasta protocolos de comunicación, LabVIEW ofrece acceso a las rutinas de configuración. [14]
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un sistema de desarrollo basado en programación gráfica orientado a desarrollar aplicaciones para
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instrumentación que integra una serie de librerías para comunicación con instrumentos electrónicos como GPIB, RS232 o RS485 con tarjetas de adquisición de datos, sistemas de adquisición y acondicionamiento como VXI o SCXI, comunicaciones en redes TCP/IP, UDP, o en los estándares de software COM, OLE, DDE, DLL o ActiveX para Windows, así como AppleEvents para MacOS o PIPE para UNIX. Los programas realizados en LabVIEW se llaman instrumentos virtuales (VI’s), ya que tienen la apariencia de los instrumentos reales, sin embargo, poseen analogías con funciones provenientes de lenguajes de programación convencionales. Las principales características de los VI’s se pueden describir como: Los VI’s contienen una interfaz interactiva de usuario, la cual se llama panel frontal, ya que simula el panel de un instrumento físico. Se puede entrar datos usando el teclado o el ratón y tener una visualización de los resultados en la pantalla del computador. El Panel Frontal es la interfaz hombre-máquina de un VI. Los VI’s reciben instrucciones de un diagrama de bloques construido en lenguaje G el cual suministra una solución gráfica a un problema de programación. El diagrama de bloques es el código fuente de un VI. Los VI’s usan una estructura hereditaria y modular que permite realizar programas por niveles o hacer programas con otros programas o subprogramas. Un VI contenido en otro VI es denominado subVI. Todo VI se puede convertir en subVI sin ningún tipo de cambio en su estructura. Con estas características LabVIEW permite dividir un programa en una serie de tareas las cuales son divisibles nuevamente hasta que una aplicación complicada se convierte en una serie de subtareas simples. Todos los anteriores conceptos están de acuerdo con las concepciones modernas de la programación modular. Cada VI de LabVIEW cuenta con dos interfaces: panel frontal y diagrama de bloques. Éstas cuentan con paletas que contienen los objetos necesarios para implementar y desarrollar tareas. [5]
25
1.3 CONSIDERACIONES PARA LA TOMA DE SEÑALES EN EL MOTOR DEL AUTOMÓVIL Debido a las diferentes variables que se pueden medir en cualquier punto del automóvil se hace un estudio de las variaciones físicas que comprenden el funcionamiento del automóvil con el fin de determinar su rendimiento al someterlos a cargas y velocidades, tomando en cuenta la distancia recorrida. Es entonces como la selección de las partes del motor que debe llevar un sensor para el cual se quiere investigar el comportamiento de una variable, estipula un procedimiento especial de adquisición de datos y la instrumentación que se requiere para dicho procedimiento. El investigador tendrá la libertad plena de interesarse en el comportamiento de cualquier fenómeno físico que interviene un proceso de los tantos sistemas que comprende el automóvil y acoplar toda una gama de técnicas para la comprensión de lo que allí está sucediendo. Este libro considera el comportamiento del aceite lubricante contenido en el cárter del motor
con énfasis en sus variables de
temperatura y presión, que se monitorea con sus respectivos transductores y así poder darle un tratamiento especial a las señales allí producidas. Además, se discutirá sobre el líquido refrigerante que permite mantener el motor a un nivel de temperatura adecuado por lo cual interesa la variación de este parámetro en el líquido y visualizarlo en forma real en el sistema instrumentación virtual diseñado. Como tercer punto de interés será los gases de escape producto de la combustión, donde se tomarán las variables de temperatura y la cantidad de oxígeno como propiedades de este fluido. El cuarto punto se concentrará en la presión generada en el multiple de admisión y por último se hará énfasis en la presión de combustible. Relevante a lo anterior y para un mejor entendimiento de las variables medidas por el sistema de instrumentación virtual bajo el campo de acción en el automóvil, cabe destacar que el motor es una máquina térmica. Convierte energía térmica en trabajo mecánico por medio del aprovechamiento del gradiente de temperatura entre una “fuente” caliente y un “sumidero” frío. El calor se transfiere de la fuente al sumidero y durante este proceso, algo del calor se convierte en trabajo por medio del aprovechamiento de las propiedades de un 26
fluido de trabajo, usualmente un gas o un líquido. En las máquinas de combustión interna, son los gases de la combustión los que circulan por la propia máquina. En este caso, la máquina será necesariamente de ciclo abierto, y el fluido motor será el aire (no condensable) empleado como comburente en la combustión. En los automóviles el motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al interior. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por un eje al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón. El sistema de bombeo de combustible consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo que vaporiza o atomiza el combustible líquido. Se llama carburador al dispositivo utilizado con este fin en los motores. En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se conduce a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. Muchos motores cuentan con un colector de escape o de expulsión, que transporta los gases producidos en la combustión. Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por el cigüeñal, estando el conjunto coordinado mediante la correa de distribución. Todos los motores tienen que disponer de una forma de iniciar la ignición del combustible dentro del cilindro. Existe un componente llamado bobina de encendido, el cual es un autotransformador de alta tensión al cual se le conecta un conmutador que interrumpe la corriente del primario para que se induzca la chispa de alta tensión en el secundario. Dichas chispas están sincronizadas con la etapa de compresión de cada uno de los cilindros; la chispa es dirigida al cilindro específico de la secuencia utilizando un distribuidor rotativo y
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unos cables de grafito que dirigen la descarga de alto tensión a la bujía. El dispositivo que produce la ignición es la bujía, un conductor fijado a la pared superior de cada cilindro. La bujía contiene en uno de sus extremos dos electrodos separados entre los que la corriente de alta tensión produce un arco eléctrico que enciende el combustible dentro del cilindro. Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de un tipo de sistema de refrigeración, algunos motores de automóviles se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador. Es importante que el líquido que se usa para enfriar el motor no sea agua común y corriente porque los motores de combustión trabajan regularmente a temperaturas más altas que la temperatura de ebullición del agua, esto provoca una alta presión en el sistema de enfriamiento dando lugar a fallas en los empaques y sellos de agua así como en el radiador; se usa un anticongelante pues hierve a una temperatura mayor y tampoco se congelará a temperaturas muy bajas. Los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan, lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. [17] La temperatura como cantidad física, desempeña un papel importante en el análisis de los sistemas térmicos que interactúan en un motor de combustión. Está relacionada con la energía interna (velocidad con que se mueven los átomos o moléculas) de un cuerpo; a mayor temperatura mayor será la energía interna. El calor es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperaturas, posee como gran característica lo que se llama “equilibrio térmico” que consiste en que al entrar en contacto dos o más cuerpos con distintas temperaturas, éstos se regularán quedando ambos con una temperatura promedio.
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La escala de temperaturas más común y la utilizada en el sistema de instrumentación virtual es la celsius, familiarmente denominada escala centígrada. En esta escala los valores de referencia son 0 y 100 para las temperaturas de congelación y de ebullición del agua, respectivamente. De esta manera, un grado celsius (°C), es la centésima parte de la diferencia de temperatura que existe entre los puntos de congelación y de ebullición del agua. Temperaturas inferiores a la del punto de congelación de agua se expresan en esta misma escala por medio de valores negativos. [15] El contenido de calor en un volumen, ∆∀ de fluido es igual a: = ∆∀ (1) Donde (según el SI) ; es el calor especifico a presión constante y T [K]; es la
temperatura absoluta. La presión es la magnitud física que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. La presión en un punto es causada por una fuerza normal que empuja contra un plano definido en el fluido o contra una superficie plana que está en contacto con el fluido. La presión en un punto es la relación entre la fuerza normal y el área del plano a medida que dicha área se aproxima a un valor muy pequeño que incluya el punto. = (2)
En donde (según el SI) F [N]; es la fuerza que ejerce el fluido en el punto donde se quiere estudiar y A ; es el área de la pared donde interviene el fluido. [15]
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La tercera variable en consideración es la cantidad de oxígeno que contiene los gases de escape del motor. El contenido de oxígeno depende de las masas que intervienen en la cámara de combustión (relación aire/combustible). La relación aire combustible (AC) es el cociente entre la masa de aire y la masa de combustible existente en la mezcla (Ec.3). Para la gasolina, cuando la reacción de combustión es teóricamente completa sin que sobre ninguno de los reactivos, se debe cumplir un AC=14,7. Esto es lo que se denomina dosado estequiométrico. Si se normaliza la relación aire/combustible respecto al dosado estequiométrico, se obtiene una variable denominada con la letra lambda (λ), (Ec.4). En la relación al valor estequiométrico, se define como mezcla rica aquella que tiene un exceso de combustible (λ1). Donde:
3 λ
4
AC es la relación aire/combustible real en la mezcla y ACT es la relación aire/combustible teórico, siendo el rango de medida para los gases de combustión λ [0,7- 2,4]. La combustión completa de un hidrocarburo debería proporcionar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Lo que sucede es que la combustión no es completa, o bien resulta que las altas presiones y temperaturas reinantes en la cámara de combustión hacen que estos productos reaccionen entre sí, dando lugar a otros productos contaminantes resultantes de estas reacciones secundarias. El contenido total de contaminantes en los gases de escape es de aproximadamente 1% en volumen de los gases totales emitidos. El monóxido de carbono (CO) aparece como consecuencia de una oxidación parcial. Es altamente tóxico, al impedir la aportación de oxígeno por la sangre a los tejidos del cuerpo.
30
Los hidrocarburos (HC) proceden de la propia gasolina y del aceite sin quemar o quemados parcialmente. Son muy irritantes para los seres vivos y constituye uno de los elementos más contaminantes al medio ambiente. Óxidos de nitrógeno (NOx) consisten en una mezcla de diferentes óxidos de nitrógeno producidos por la oxidación del nitrógeno atmosférico como consecuencia de las altas temperaturas y presiones existentes en la cámara de combustión, el cual favorece este tipo de reacción. [10] En los motores, el movimiento se transmite a través de un pistón que forma parte de un cilindro dentro del cual se quema la gasolina. El proceso transcurre en cuatro tiempos: admisión (en el que entra en el pistón una mezcla gaseosa de aire y gasolina que después producirá la reacción), compresión (el pistón baja y comprime la mezcla de aire y gasolina), explosión (el oxígeno del aire reacciona con la gasolina mediante una chispa y da lugar a una expansión controlada que hace que el pistón suba) y escape (salida de los gases de combustión del cilindro). El proceso de combustión permite la oxidación de los constituyentes del combustible que pueden ser oxidados y, por lo tanto, se presenta mediante una ecuación química. Durante un proceso de combustión, la masa de cada elemento permanece igual. Así escribir ecuaciones químicas y resolver problemas relativos a las cantidades de los diversos constituyentes indica básicamente la conservación de la masa de cada elemento. El oxidante en un proceso de combustión es el aire y está compuesto de 20,9 por ciento de oxígeno, 78,1 por ciento de nitrógeno y 0,9 por ciento de argón, y pequeñas cantidades de dióxido de carbono, helio, neón e hidrógeno etc. (ver Tabla 1 Composición del aire seco). En el análisis de procesos de combustión, el argón en el aire es tratado como nitrógeno, y los gases que existen en cantidades pequeñas son despreciables. El aire entonces seco puede ser acercado como 21 por ciento de oxígeno y 79 por ciento de nitrógeno. Por lo tanto, cada mole de oxígeno que entra en la cámara de combustión es acompañada por 0,79/0,21= 3,76 mol de nitrógeno, es decir: 31
1 3,76 4,76 5 Tabla 1. Composición del aire seco
Gas
% Volumen
Masa molar kg/kmol
Composición del aire en kg/kmol
N2
78,09
28,02
21,880818
O2
20,95
32
6,704
0,93 0,03
39,95 44,01
0,371535 0,013203
0,0018 0,0005 0,0001 0,000009 0,00005
20,18 4,003 83,8 131,3 2,016
0,00036324 0,000020015 0,0000838 0,000011817 0,000001008
Ar CO2 Ne He Kr Xe H2 Aire seco
100,002459
28,97003588
Fuente: [10]
En resumen y para cuestiones de cálculo y análisis, el aire se aproximará a 21% O2 y 79% N2: 16 2 32
మ 6
మ 7
0,21 32 0,79 28 28,84 " 29 8 14 2 28
Un proceso de combustión es completo si todo el carbón en el combustible se quema produciendo CO2, todo el hidrógeno a H2O, y todo el azufre a SO2. Es decir todos los componentes del combustible son quemados durante el proceso de combustión. A la inversa, el proceso de combustión es incompleto si los productos de combustión contienen componentes como C, H2, CO, ó OH.
32
El oxígeno insuficiente es una razón obvia de la combustión incompleta, pero no es el único. La combustión incompleta ocurre incluso cuando más oxígeno está presente en la cámara de combustión que es necesario para la combustión completa. Esto puede ser atribuido a la mezcla insuficiente en la cámara de combustión durante el tiempo limitado que el combustible y el oxígeno están en contacto. Otra causa de combustión incompleta es la disociación, en altas temperaturas. El oxígeno tiene una tendencia mucho mayor de combinarse con el hidrógeno que con el carbón. Por lo tanto, el hidrógeno en el combustible normalmente se quema formando H2O, incluso cuando hay menos oxígeno que el necesario para la combustión completa. El carbón, termina como la CO o en partículas (hollín) en los productos. La cantidad mínima de aire necesario para la combustión completa en un combustible se llama estequiometrico o aire teórico. Así, cuando un combustible es completamente quemado con el aire teórico, ningún oxígeno está presente en los gases del producto. Un proceso de combustión con menos aire que el teórico está obligado a ser incompleto. Combustión completa para la gasolina: , + 11,74 + 3,76 → 8 + 7,48 + 44,14 (9)
=
11,74 × 4,76 × 29 = 14,61 (10) 8 × 12 + 14,96
Combustión completa para el etanol: + 3 + 3,76 → 2 + 3 + 11,28 (11)
=
3 × 4,76 × 29 = 9,002 (12) 2 × 12 + 1 × 6 + 1 × 16
33
Combustión completa para un E10: #0,1 $ 0,9 $, % 10,87 3,76
→ 7,4 7,032 $ 40,86 13
10,87 4,76 29 14,36 14 0,1 24 6 16 0,9 96 14,96
Porcentaje de ahorro de aire con respecto a la gasolina: %
14,61 ( 14,36 100 1,71% 15 14,61
Combustión E10 para un exceso de aire del 20%, (AT% = 120%) #0,1 $ 0,9 $, % 1.2 ∗ 10,87 3,76
→ 7,4 7,032 $ 49 2,17 16
El numero de moles de N2 en los productos = E*at Siendo E: porcentaje de exceso de aire que en este caso es 0,2%. at: numero de moles de aire (kmol). Entonces: 0,2 10,87 49 +, 17
1,2 10,87 4,76 29 17,24 18 0,1 24 6 16 0,9 96 14,96
34
1 - 19 14,36
λ
20
17,24 1.2 21 14,36
Mezcla pobre tiene exceso de aire, o lo que es lo mismo, una falta de combustible (λ>1). 1.3.1 Parámetros del volumen de control del aceite lubricante. Los parámetros del aceite lubricante consideradas para la evaluación del comportamiento bajo el sistema de instrumentación virtual es la presión y la temperatura. Generalmente el sistema de lubricación del motor de un automóvil inicia desde un deposito llamado cárter donde el aceite es succionado por una bomba a través de un filtro de malla de alambre. Luego la bomba fuerza al lubricante a través de un enfriador de aceite y un filtro, para posteriormente distribuirlo a todo el motor por las galerías, conductos y agujeros de alimentación. Así todas las partes móviles están continuamente lubricadas. Generalmente se coloca el transductor de presión a la salida del filtro de aceite. Desde ese punto se recibe las señales correspondientes a esta variable de interés. La presión de aceite se debe a la resistencia que opone el aceite a fluir (viscosidad) ante la acción de la bomba. El aceite además de mantener una película hidroelástica en las juntas de cada elemento para disminuir el rozamiento entre las partes y evitar desgaste, sirve como refrigerante del motor por lo cual se debe monitorear la temperatura ya que este fluido pierde características en sus propiedades, si esta alcanza un valor máximo se vaporiza los componentes convirtiéndose en otro tipo de fluido.
35
1.3.2 Parámetros del volumen de control de la masa de aire. El papel del sistema de control de combustible que actualmente implementan los fabricantes en sus automóviles, es regular las cantidades de combustible y aire, éste último aumenta o disminuye buscando la combinación exacta de estos dos elementos dentro de la combustión. El desempeño del motor es fuertemente afectado por la mezcla es decir, por la relación aire/combustible. Sin embargo, para cualquier mezcla dada, la potencia producida por el motor es directamente proporcional a la proporción de flujo de masa de aire en el motor. En el Sistema Ingles de unidades, una proporción de flujo de aire es aproximadamente 6 lb/hr produciendo potencia mecánica en hp, utilizable en el rendimiento del motor. El Sistema Internacional usa unidades para la potencia del motor en kilovatios (kw) y se expresa el flujo másico de aire en kilogramos por hora (kg/h). En términos matemáticos se escribe: ./ 0 22 Donde: ./ .1,23 +, 1 45 ó 6
0 789 +, : +, , /4
32:121, +, 51,23 5 789 +, , 45//4 En la figura 5 se visualiza como interactúa un conjunto de sensores que monitorean las variables que influyen en la regulación de la mezcla, buscando siempre que sea completa es decir, que el flujo de masa corresponda a la cantidad necesaria que se debe mezclar con el combustible buscando dosificación estequiometrica (λ= 1). Los sensores que se pueden encontrar en un sistema convencional de control de masa de aire y por consiguiente en la combustión son los siguientes: -Sensor de posición de acelerador. Throttle position sensor (TPS). - Sensor flujo de masa de aire. Mass air flow rate (MAF). -Sensor temperatura del refrigerante. Engine temperature (coolant temperature) (CT).
36
-Sensor velocidad angular (RPM). - Sensor recirculación del gas de escape. Exhaust gas recirculation (EGR) valve position -Sensor de Cantidad de oxígeno gas de escape. Exhaust gas oxygen (EGO). Figura 5. Sistema de control masa de aire
Fuente: [16]
El aire y el combustible entran al motor a través del múltiple de admisión, una serie de cauces dirigen la mezcla de combustible a los cilindros. Una variable del motor muy importante asociada con la succión es la presión absoluta del múltiple (Manifold Absolute Pressure-MAP). Este sensor desarrolla una tensión que es aproximadamente proporcional al valor promedio de la presión de succión en el múltiple (Ver figura 6), el cual permite la medición, registro y visualización en tiempo real en el sistema de instrumentación virtual. [16]
Cada cilindro contribuye a la acción de bombeo de aire por cada revolución del cigüeñal dando lugar a variaciones de presión en la admisión. Para N cilindros del motor la fluctuación de presión (fp) del múltiple de admisión en ciclos por segundo y para una cierta velocidad angular en RPM está dada por:
37
7
( 5,1965 24 Tabla 3. Datos de caracterización sensor de presión de aceite, combustible
Presión [psi] 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58
Presión [psi] 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110
Tensión [VDC] 0,563 0,664 0,750 0,868 0,943 1,040 1,122 1,192 1,291 1,375 1,418 1,496 1,565 1,650 1,718 1,844 1,920 2,002 2,088 2,177 2,265 2,340 2,408 2,480 2,566
47
Tensión [VDC] 2,752 2,845 2,933 3,005 3,090 3,170 3,250 3,340 3,420 3,482 3,566 3,640 3,750 3,820 3,890 3,940 4,030 4,100 4,150 4,240 4,340 4,430 4,500 4,570 4,640
2.1.2 Sensor presión del multiple de admisión. Es el sensor que permite apreciar el nivel de presión en el sistema de admisión de aire, una de las propiedades interesantes de este sensor es la medición de la presión vacuométrica y la presión manométrica. En la figura 12 se puede apreciar el sensor utilizado para el sistema de adquisición de datos.
Figura 12. Sensor de presión del multiple de admisión
2.1.2.1 Características generales.
Acople
1/4”
Nº pines eléctricos
3
Tensión de alimentación
5 VDC
Rango de presión (0-30) in-Hg, P. Vacuométrica; (0-30) psi, P. manométrica. La configuración de los pines para la conexión, se presentan en la tabla 4, distribuidos geométricamente como lo muestra la figura 13.
Tabla 4. Configuración de pines sensor de presión multiple de admisión
Pin 1 Pin 2 Pin 3
Gris Purpura Negro
Positivo Señal Negativo
48
Figura 13. Pines sensor de presión multiple de admisión
2
1
3
La conexión eléctrica se realiza polarizando el sensor en los pines 1 y 3 como lo muestra la figura 14 con una fuente de tensión de 5 V, corriente directa, y llevando el pin 2 a la tarjeta de acondicionamiento.
Figura 14. Conexión eléctrica sensor de presión multiple de admisión
2.1.2.2 Descripción del funcionamiento. Los sensores de presión de multiple de admisión (MAP) se caracterizan por tener una referencia de vacío en una cavidad para su aplicación como sensor en el tubo de admisión o de presión de sobrealimentación. En el lado de la estructura: un chip de silicio con una membrana grabada y cuatro resistencias dilatables conectadas en puente, está fijo como celda de medición sobre un zócalo de vidrio. El chip de silicio recibe la presión por el lado en el que se encuentra el sistema electrónico evaluador. Por eso, este lado debe estar protegido con un gel especial contra influencias del ambiente (1) figura 15. El vacío de referencia se encuentra en la cavidad entre el chip (3) y el zócalo de vidrio (6). El elemento de medición completo está soportado por un híbrido cerámico (5) que tiene superficies de soldadura para su ulterior empalme dentro del sensor.
49
Figura 15. Célula de medición del sensor MAP
Fuente: [2]
1 Gel protector. 2 Recipiente del gel. 3 Célula de medición (chip) con circuito evaluador 4 Unión metálica. 5 Sustrato metálico. 6 Zócalo de vidrio.
2.1.2.3 Caracterización del sensor de presión del multiple de admisión. El sensor MAP utilizado en el sistema de adquisición de datos se evalúa variando la presión con una bomba de vacío y tomando lectura de tensión con un multimetro para cada nivel de presión vacuométrica en [in.Hg], asignando una tensión específica que luego será evaluada por el sistema de instrumentación virtual. De igual forma se generan datos en niveles de presión manométrica ya que el sensor MAP permite considerar un rango específico de hasta 30 psi. En la figura 16 se muestra la curva característica experimental para este tipo de sensor de presión considerando los dos estados de operación, presión manométrica en [psi] y presión vacuométrica en [in.Hg].
50
Figura 16. Curva característica sensor de presión de aceite, combustible
CURVA CARACTERISTICA SENSOR PRESION EN EL MULTIPLE DE ADMISION 5 4.5 y = 0,1086x + 1,5516
4 3.5
V DC
3 V DC VS in.Hg 2.5
V DC VS psi
2
Linear (V DC VS in.Hg) Linear (V DC VS psi)
1.5 1 0.5 0
y = -0.0551x + 1.3736 0
5
10
15 in.Hg
20
25
30
psi
La tabla 5 muestras los datos obtenidos en la caracterización del sensor en el multiple de admisión (MAP). Con la ecuación (25) y (26) hallada en la caracterización anterior se evalúa la tensión que genera el sensor, este dato es recogido por el algoritmo de LabVIEW del sistema de adquisición de datos y es visualizada en pantalla del computador el valor de dicha presión.
= 9,2081 ∙ − 14,2873 (25) = −18,1488 ∙ + 24,9292 (26)
51
Tabla 5. Datos de caracterización sensor presión del multiple de admisión (MAP)
Presión [in.Hg] 2 3 4 5 6 8 9 10 12 14 15 16 17 18 20 21 22 23
Presión [psi] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Tensión [VDC] 1,215 1,187 1,149 1,104 1,058 0,940 0,919 0,855 0,727 0,590 0,553 0,479 0,442 0,382 0,254 0,224 0,147 0,093
Tensión [VDC] 1,805 1,898 1,991 2,123 2,212 2,327 2,431 2,54 2,628 2,757 2,87 2,97 3,084 3,183 3,295 3,403 3,503 3,61 3,73 3,82 3,94 4,06 4,16 4,27 4,38 4,45 4,57
2.1.3 Sensor temperatura de aceite y líquido refrigerante. Es un sensor tipo termistor NTC que permite leer del medio físico la señal de temperatura en el sistema de lubricación y el sistema de refrigeración del motor con el fin de
tener conocimiento del
comportamiento de esta característica física mediante el sistema de instrumentación virtual. En la figura 17 se puede apreciar el sensor de temperatura utilizado para el sistema de adquisición de datos. 52
Figura 17. Sensor de temperatura de aceite y líquido refrigerante
2.1.3.1 Características generales. Rosca
1/8”
Nº pines eléctricos
2
Tensión de alimentación
5 VDC
Rango de temperatura
(0-170) °C
La configuración de pines para la conexión, se presentan en la tabla 6 y distribuidos en su orden como lo muestra la figura 18: Tabla 6. Configuración de pines sensor de temperatura de aceite y líquido refrigerante
Pin 1
Purpura
Positivo
Pin 2
Negro
Negativo
Figura 18. Pines sensor de temperatura de aceite y líquido refrigerante
2
1
La conexión eléctrica se realiza mediante un arreglo de resistencia en serie con el termistor llevando a cabo un divisor de tensión como lo muestra la figura 19 con una fuente de tensión de 5 V corriente directa y llevando la señal a la tarjeta de acondicionamiento.
53
Figura 19. Conexión eléctrica sensor temperatura de aceite y líquido refrigerante
1kΩ
2.1.3.2 Descripción del funcionamiento. El termistor es un dispositivo semiconductor que presenta un cambio en la resistencia con respecto a la temperatura. El cambio en la resistencia es muy grande, del orden del 4% por grado centígrado. Es posible construir termistores con una característica de resistencia contra temperatura con pendiente positiva o negativa. Sin embargo, los dispositivos termistores más comunes tienen una pendiente negativa (NTC); lo que significa, que un incremento en la temperatura produce un decremento en la resistencia. Están constituidos por mezclas sinterizadas de polvos de óxidos metálicos (de hierro, titanio, níquel, cobalto, cromo, etc.) y semiconductores, en forma de discos, barras, placas y otras configuraciones. Los termistores son altamente no lineales, mostrando una relación logarítmica entre la resistencia (en kΩ) y la temperatura como lo muestra la ecuación. [1]
< 1,0049 29 Donde:
Vx en mV T
en °C
Tabla 9. Datos de caracterización sensor de temperatura gases de escape
Temperatura [°C] 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135
Tensión [mV] 1,00 1,20 1,40 1,61 1,81 2,02 2,23 2,43 2,64 2,85 3,05 3,26 3,47 3,68 3,89 4,10 4,31 4,51 4,72 4,92 5,13 5,33 5,53
Temperatura [°C] 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 60
Tensión [mV] 5,73 5,93 6,13 6,33 6,53 6,73 6,93 7,13 7,33 7,53 7,73 7,93 8,33 8,54 8,74 8,94 9,14 9,34 9,54 9,75 9,95 10,16 10,36
Temperatura [°C] 260 265 270 275 280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330 335 340 345 350
Temperatura [°C] 355 360 365 370 375 385 390 395 400 405 410 420 425 430 435 440 445
Tensión [mV] 10,57 10,77 10,98 11,18 11,39 11,59 11,80 12,01 12,21 12,42 12,63 12,83 13,04 13,25 13,46 13,67 13,88 14,09 14,29
Tensión [mV] 14,50 14,71 14,92 15,13 15,34 15,76 15,98 16,19 16,40 16,61 16,81 17,24 17,46 17,67 17,88 18,09 18,30
2.1.5 Sensor de oxígeno. El sensor de oxígeno es uno de los elementos más interesantes del sistema de instrumentación ya que las propiedades electrolíticas y semiconductoras permiten capturar una muestra de los gases de escape y generar una señal que cambia de acuerdo a los niveles de oxígeno que presente. En general este dispositivo fue diseñado con el fin de obtener una medida cuantitativa de la relación aire combustible o en su defecto el factor lambda (λ). Las propiedades de funcionamiento de éste sensor vienen predeterminadas por el fabricante por lo tanto su operación se debe regir en lo posible por las condiciones eléctricas que el fabricante suministra, para que de esta manera se pueda acondicionar las señales que éste emite en sus diferentes terminales y poder hacer una lectura acertada con el sistema de adquisición. En el mercado se consiguen muchos tipos de sensores de oxígeno que se clasifican de acuerdo a dos criterios: primero su composición química; los más conocidos son: Sonda lambda de zirconio (ZrO2) y la Sonda lambda de titanio (O2Ti). Segundo por la cantidad de cables que salen de su cuerpo; entre ellas está la
61
sonda de 2, 3,4 y 5 cables. En este proyecto se utiliza la sonda lambda de zirconio de 5 cables. La sonda lambda es un transductor que genera una corriente proporcional al factor λ y se monta dentro del conducto de escape, colocada antes de que los gases de escape pasen por el catalizador. Se utiliza para medir la cantidad de oxígeno contenida en los gases de escape del motor, y así determinar la riqueza o pobreza de la mezcla y de igual forma permite controlar los niveles de oxígeno en la combustión. El factor de exceso de aire λ se define como el cociente entre la proporción actual de aire-combustible y la proporción ideal. Así, valores λ 1 que ha sido pobre, mientras que el valor λ =1 representa la proporción ideal. Las denominaciones en nombre para el sensor utilizado son: Sensor de oxígeno, Sonda Lambda, Sensor de banda ancha (Wideband), Sonda Lambda Universal (LSU). En la figura 23 (a) se observa la forma del sensor y en la figura 23 (b) su conector.
Figura 23. (a) Bosch LSU 4.2, (b) Conector RB130
2.1.5.1 Características generales. -
Marca y modelo
0 258 007 206, BOSCH
-
Tipo de sonda
LSU 4.2
-
Temperatura de operación
750 °C
-
Tensión nominal del calentador
9 V 10 W
-
Resistencia del calentador a 20 °C
3.2 Ω 62
-
Resistencia nominal celda Nernst
80 Ω
-
Resistencia entre sustratos
≥ 30 MΩ
•
Temperatura máx. de calentamiento de las cerámicas
•
< 900 °C
Frecuencia mínima de control de tensión para calentamiento
> 2 Hz
•
Máx. Corriente λ = 1 Nernst - Cell
≤ 10 µA
•
Max. Rango en corriente de bombeo
-9 mA; 18 mA
•
Exactitud
λ=1 λ = 0.8 λ = 1.7
1.016 V +- 0.007 V 0.80 V +- 0.01 V 1.70 V +- 0.05 V
La sonda LSU contiene 5 cables en su conexión, cabe resaltar que por calibración hecha en su construcción, para poder compensar la impedancia interna de los semiconductores se adiciona un 1 pin más en el conector, el cual contiene una resistencia que calibra dicha descompensación. 2.1.5.2 Descripción del funcionamiento. La sonda lambda de banda ancha consta de dos etapas principales que gobiernan el funcionamiento del sistema, una de medida (Celda Nernst) y otra generadora de oxígeno (Celda bomba de corriente). En La figura 24 se especifica las partes principales del sensor.
Pin 1
Negro
Vs
Pin 2
Verde
Rcal
Pin 3
Gris
H-
Pin 4
Blanco
H+
Pin 5
Amarillo
Vs/Ip
Pin 6
Rojo
Ip
63
Figura 24. Disposición de sustratos sonda lambda
Fuente [11]
1
Gases de escape
2
Tubo de escape
3
Calentador o resistencia de caldeo
4
Tarjeta de acondicionamiento
5
Célula con vacio de referencia
6
Ranura de difusión
7
Célula de concentración de Nernst
8
Célula de bombeo de oxígeno con electrodos interior y exterior
9
Capa porosa de protección
10 Agujero de acceso de gases 11 Barra porosa de difusión Ip
Corriente de bombeo
Vs Tensión suministrada por la célula Nernst H+ Línea de alimentación PWM para la resistencia de caldeo.
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El concepto inicial de trabajo de la sonda lambda de banda ancha, es la de interponer la zona de funcionamiento de la célula de concentración de Nernst siempre en lambda 1. Para ello utiliza la célula de oxígeno, que se encarga de hacer variar el oxígeno medido para mantener la condición anterior. La unidad de control determina el valor lambda que emite la célula de medida en función del trabajo de la célula de oxígeno para mantener el valor lambda 1 en la ranura de difusión. Para ver más claro su funcionamiento, se estudia la sonda lambda en tres etapas: la resistencia de caldeo, célula de concentración de Nernst y la célula de bombeo de oxígeno. Como se mencionó anteriormente, la resistencia de caldeo es una de las partes más importantes en el funcionamiento de la sonda de banda ancha Bosch LSU 4.2, ya que las demás etapas que la componen dependen en gran medida de su operación. La resistencia interna de las células tanto de medida como la de bombeo se encuentra en el orden de los megohmios a temperatura ambiente, impidiendo el flujo de corriente en el interior del sustrato de zirconio, por lo tanto es necesario calentar la sonda a una temperatura óptima de operación de 750 °C, esto con el fin de dilatar los electrolitos internos y poner en operación las células de trabajo. Figura 25. Señal de operación resistencia de caldeo
Fuente: [3]
65
La señal que maneja la resistencia de caldeo está dividida en dos partes, la primera es la señal de inicio que arranca con una tensión DC de 7,4 V aproximadamente y aumenta con una proporción de 0,4 V cada segundo hasta el valor de la tensión de la batería, la segunda parte restablece la señal al punto de operación a una componente de valor DC constante. En la figura 25 se observa el comportamiento de la señal en tensión efectiva [Vdc] hasta el punto de restablecimiento. La célula de medida se comporta como una fuente de tensión que varía de 0 a 1 voltio dependiendo de los niveles de oxígeno que se encuentren en los gases de escape. La tensión es más elevada cuando aumenta la diferencia de oxígeno entre el contenido en los gases de escape y el que hay en el exterior. En la célula de medida Nernst se encuentra una resistencia interna (RIN) que varia con la temperatura, por lo tanto se debe controlar el valor de esta resistencia a 80 Ω de tal forma que ésta se comporte como una fuente de tensión, de lo contrario la célula enviará información errónea a los terminales del sistema de adquisición. En la figura 26 se aprecia la variación de la resistencia interna de la célula de concentración de Nernst en función de la temperatura del sustrato indicado su punto óptimo de operación. Figura 26. Punto de operación de la célula de concentración Nernst
Fuente: [3]
66
La célula de oxígeno es la encargada de modificar la cantidad de oxígeno que tiene los gases de escape en la ranura de difusión de la sonda lambda. Para realizar esta modificación de oxígeno, desvía iones de O2 desde el exterior (aire de referencia) hacia la cámara de medida (ranura de difusión) o viceversa, en función de una corriente eléctrica que se le hace atravesar a la célula. La intensidad y el sentido de la corriente, determina la cantidad de oxígeno que se debe extraer o añadir a la cámara de medida. Con esta modificación en el porcentaje de oxígeno en la cámara de medida, se consigue modificar el valor lambda de la misma. Con el circuito electrónico en la placa de acondicionamiento, se controla la intensidad de la célula de oxígeno hasta que se obtiene en la cámara de medida un valor lambda 1, evidentemente esto indica que el valor lambda real de los gases de escape puede ser diferente de 1, como se verá más adelante en el capítulo 5. 2.1.5.3 Caracterización sensor de oxígeno. El sensor de oxígeno viene calibrado desde su fabricación y cumple con la curva característica mostrada en la figura 27. La variable de lectura que se toma de la sonda es el valor Ip quien determina el factor lambda.
Figura 27. Curva característica LSU 4.2
Fuente: [3]
67
Siguiendo la curva de la figura anterior, las ecuaciones (30) y (31) describen la corriente de bombeo en función del valor lambda. Para 0.65< λ
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