MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

BRNO 2010

Karel Červinka

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Využití analogově měřených veličin v systému zkoušení na válcovém dynamometru Bakalářská práce

Vedoucí práce:

Vypracoval:

Ing. Jiří Čupera PhD.

Karel Červinka Brno 2010

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Využití analogově měřených veličin v systému zkoušení na válcovém dynamometru vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího Bakalářské práce a děkana AF Mendelovy univerzity v Brně.

dne………………………………………. podpis……………………………………

PODĚKOVÁNÍ Rád bych tímto poděkoval vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Čuperovi PhD. za jeho cenné rady a připomínky při tvorbě této práce.

Abstrakt Bakalářská práce se zabývá využíváním analogově naměřených veličin při zjišťování charakteristik automobilů. V úvodní části jsou popsány typy, druhy a funkční principy jednotlivých měřicích zařízení. Stěžejní blok práce je sestaven z několika možných návrhů systémů měření analogových i digitálních signálů pro zkoušky vozidel. Další část práce se věnuje problematice osciloskopu, jeho funkcí a možností využití a integrace do systému měření. Na základě zjištěných skutečností je v poslední části navržen systém měření analogových a digitálních signálů, tento systém se nyní zkouší na vozidlovém dynamometru Mendelovy univerzity v Brně. Klíčová slova Analogové veličiny, digitální veličiny, osciloskop, válcový dynamometr

Abstract The bachelor thesis deals with the use of analogue measured quantity in determining the characteristics of the car. The introductory section describes the types, sorts and functional principles of individual measuring devices. Core block work is composed of several possible designs measurement system analog and digital signals for the vehicle testing. Another part is devoted to an oscilloscope, its functions and possibilities of recovery and integration into the measurement system. Based on the findings in the last part of the proposed system for measuring analog and digital signals, this system is now being tested on a chassis dynamometer, of the Mendel University in Brno. Key Words analogue quantity, digital values, an oscilloscope, a chassis dynamometer

1.

2.

ÚVOD A CÍL PRÁCE ..................................................................................................................... 8 1.1

ÚVOD ........................................................................................................................................ 8

1.2

CÍL PRÁCE ................................................................................................................................. 8

TEORIE PŘENOSU SIGNÁLU, INFORMACE SIGNÁLU VE VZTAHU K VÝSTUPU

AUTOMOBILOVÝCH SNÍMAČŮ ......................................................................................................... 9

3.

2.1

PŘÍKLADY SNÍMAČŮ VE VOZIDLECH (PODROBNÝ PRINCIP ČINNOSTI POPSÁN NÍŽE).................... 9

2.2

SENZORY VE VOZIDLECH ......................................................................................................... 10

2.3

ZESÍLENÍ SIGNÁLU ................................................................................................................... 16

2.4

KONVERZE ANALOGOVÉ PODOBY SIGNÁLU NA DIGITÁLNÍ ....................................................... 17

2.5

ZOBRAZENÍ VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ ............................................................................................... 24

MĚŘICÍ PŘÍSTROJ A MĚŘICÍ ŘETĚZEC.............................................................................. 25 3.1

PARAMETRY MĚŘICÍCH PŘÍSTROJŮ .......................................................................................... 26

3.2

ROZSAH PŘÍSTROJE .................................................................................................................. 26

3.3

CITLIVOST PŘÍSTROJE .............................................................................................................. 26

3.4

ROZLIŠOVACÍ SCHOPNOST ....................................................................................................... 27

3.5

PŘESNOST PŘÍSTROJE ............................................................................................................... 27

3.6

SPOLEHLIVOST A ŽIVOTNOST ................................................................................................... 27

4.

MĚŘENÍ ELEKTRICKÝCH VELIČIN ..................................................................................... 28

5.

OSCILOSKOP ............................................................................................................................... 40 5.1

6.

MĚŘENÍ POMOCÍ OSCILOSKOPU ............................................................................................... 50

NÁVRH MĚŘICÍHO SYSTÉMU PRO VÁLCOVÝ DYNAMOMETR................................... 54 6.1

INTEGRACE EXTERNÍHO MĚŘENÍ DO STÁVAJÍCÍHO ZAŘÍZENÍ VÁLCOVÉHO DYNAMOMETRU ..... 57

6.2

INTEGRACE MĚŘENÍ RYCHLÝCH DĚJŮ OSCILOSKOPEM ............................................................. 58

7.

ZÁVĚR............................................................................................................................................ 59

8.

LITERATURA ............................................................................................................................... 60

9.

SEZNAM OBRÁZKŮ.................................................................................................................... 61

1. ÚVOD A CÍL PRÁCE 1.1 Úvod Hlavní a podstatný vývoj zaznamenala vozidla ve 20. Století. Již od počátku automobilového průmyslu je kladen velký důraz na pokrokovost technologií každého nově vznikajícího automobilu. Tento rychlý a neustálý pokrok vyžaduje i stále modernější a dokonalejší technologie různých snímačů a vůbec celé elektroniky vozidla. Každá inovovaná technologie je třeba vyzkoušet aby se prokázal její kladný vliv na výkony vozidla. Hybnou silou tohoto odvětví byly vždy závodní automobily které si vyžádaly mnoho různých druhů zkušebních zařízení jako například větrné tunely nebo válcové dynamometry, které značnou měrou kladně přispívají k vývoji stále sofistikovanějších automobilů.

1.2 Cíl práce Cílem této práce je rozebrat teorii snímání analogových veličin automobilových snímačů. Dále popsat způsoby měření pomocí osciloskopu a následně navrhnout možné zařazení do systému válcového dynamometru a navrhnout systémy měření analogových i digitálních signálů pro zkoušky vozidel.

-8-

2. TEORIE PŘENOSU SIGNÁLU, INFORMACE SIGNÁLU VE VZTAHU K VÝSTUPU AUTOMOBILOVÝCH SNÍMAČŮ 2.1 Příklady snímačů ve vozidlech Se zvyšujícím se počtem elektronicky řízených prvků došlo k nutnosti zvýšení senzorové techniky. Na následujících obrázcích jsou uvedeny příklady snímačů, které se běžně vyskytují u dnešních automobilů. Tyto snímače mají svůj charakteristický princip a také výstup pro další zpracování např. řídicí jednotkou. Jejich princip bude uveden v následujícím textu.

Obr. 1 Snímač polohy škrtící klapky- potenciometr

Obr. 2 Snímač zrychlení – piezoelektrický (snímání klepání motoru)

Obr. 3 MAF – snímač hmotnosti nasávaného vzduchu

-9-

Obr. 4 Snímač přítomnosti kyslíku ve výfukových plynech- Lambdasonda

2.2 Senzory ve vozidlech Senzory a snímače, resp. čidla měřených fyzikálních, chemických či biologických veličin snímají jejich časový průběh a převádějí na jinou fyzikální veličinu. Nejčastější povaha transformace na výstupní veličinu je elektrická, kde s výhodou využíváme kvantitativní charakter. Samotné slovo senzor má původ v latině a znamená „citlivý“, což vystihuje jeho účel citlivost na měřenou veličinu. Někdy se lze setkat i s anglickým pojmem transducer, který je užíván ve stejném významu jako snímač, ale přesnější význam je spíše převodník. Kritérií pro rozdělení snímačů existuje mnoho. K našemu účelu diagnostiky motorových vozidel nejlépe poslouží následující trojí rozdělení: 1. Podle druhu měřené veličiny: •

geometrických veličin (dráhy, velikosti atd.),

•

mechanických veličin (měření rychlosti, síly, tlaku aj.),

•

teplotních veličin (teplota),

•

elektrických a magnetických veličin (proud,napětí…),

•

optických veličin (světelný tok, opacita apod.),

•

chemických veličin (koncentrace iontů a další)

2. podle převodu signálu: •

aktivní – vycházejí z principu měření, kdy se snímač chová jako zdroj energie pro transformaci měřené veličiny na výstupní hodnotu. Pro názornost si uveďme snímač teploty – termočlánek.

- 10 -

•

pasivní – vlivem snímání měřené veličiny se mění některý z parametru signálu (nejčastěji elektrický signál). Měřicí veličinou může být mimo amplitudy také kmitočet, fázový posun aj. Pasivní snímače vyžadují pro jejich funkci napájení.

3. podle kontaktu snímače a měřené veličiny: •

dotykové (teplota nasávaného vzduchu…).

•

bezdotykové (radarové systémy vzdálenosti vozidel) . (1)

Obr. 5 Blokové schéma snímače

Mimo jednoduché snímače se lze ve složitějších úlohách setkat i se senzorovými poli, které v sobě ukrývají více senzorů se stejnou funkcí. Stejně tak existují čidla, která mají více funkcí - multifunkční nebo snímače, který je znásoben – multisenzory. Vývoj ve všech vědních disciplinách dovedl senzory do fáze, kdy nejsou pouhými převodníky veličin, ale umožňují jejich přímé zpracování díky integraci mikroelektroniky. Přenos informace se u některých soudobých snímačů řeší použitím optických přenosových soustav, např. optickými vlákny. Výrazně lze zrychlit přenos informace signálu k dalšímu zpracování. Inteligentní senzory jsou vyráběny v kompaktním provedení a skládají se z: •

Vstupní část (input), která slouží k transformaci měřené veličiny na elektrickou veličinu, dále umožňuje filtraci signálu a obvody vstupů mohou linearizovat a normalizovat výsledný signál. Interně lze také u multisenzorů přepínat vstupy. Významnou částí vstupních obvodů jsou ochranné prostředky, které snižují rizika destrukce senzoru

- 11 -

•

Výstupní část (output) zprostředkovává informaci uloženou v signálu dále pro zpracování, nejčastěji po sběrnici (například signál kyslíkové sondy je zasílán v digitální podobě řídicí jednotce po sběrnici CAN.

•

Vnitřní část je prostředním členem předchozích prvků. Základní účel je shodný s výše jmenovanými, proto se uvádí pouze u složitějších systémů senzorové techniky. Obsahuje většinou autodiagnostické funkce, kdy je prováděna kontrola pomocí generace signálu na snímači (pokud to fyzikální princip snímače a samotná podstata měřené veličiny umožní) a provádí případnou kalibraci. Také může vnitřní část obsahovat rozšířenou logiku a zpracovávat některé algoritmy statistického vyhodnocování. Některé snímače navíc umožní i hlídání mezí signálu a také lze měnit úroveň zesílení signálu.

V automobilové technice se dnes přechází na distribuované systémy řízení funkčních celků a stále výrazněji se uplatňují systémy snímačů, které jsou integrovány moduly, které jsou malými logickými řídicími jednotkami a obsahují mimo vlastního snímače a prostředků prvotního zpracování hodnot také programovatelné nástroje, např. zesílení, dále možnosti programování vstupů a jejich přepínání a také i výběr komunikace s ostatními moduly. Ačkoliv principy měření fyzikálních veličin se nemění, vývoj snímačů jde doslova mílovými kroky. Původní odečítání ze snímače vizuálně srovnáním s měřítkem či stupnicí bylo nahrazeno konverzí na digitální podobu a vyjádřeno přímo na zobrazovací jednotce (display, monitor aj.). Současnost přináší možnosti zpracování informace měřené veličiny přímo ve snímači (vývoj je znázorněn na obr. 6). Uveďme si tři generace snímačů v chronologické posloupnosti od nejstarších čidel.

Obr. 6 Vývoj snímačů a jejich výstupů pro měřicí aplikaci.

- 12 -

První generace senzorů využívá různé elektromechanické, elektrochemické či ryze mechanické principy. Schopnosti těchto snímačů již dosáhly svého vrcholu a dnešní použití v automobilové technice je zanedbatelné. Druhá generace senzorů je založena na znalosti změn v pevných látkách, např. piezoelektrický jev u snímačů tlaku či zrychlení, či plynech (ionizace některých plynů). Významnou skupinu této generace tvoří polovodičové senzory a z nich pak zejména mikroelektronické senzory, které jsou mnohdy slučitelné s integrovanými obvody. Vývoj v této oblasti je zaměřen na jednočipové inteligentní senzory, označované také jako SMART senzory. Třetí generace senzorů představuje vrchol současných možností senzorové techniky. V aplikacích automobilové elektroniky se velice rychle integrovaly snímače typu MEMS – tedy mikro-elektro-mechanických systémů. Ve své podstatě jsou to miniaturizované mechanické mikrosenzory. Uveďme zase jeden příklad využití tohoto senzoru, můžeme jej nalézt například v řídicí jednotce airbagů pro vyhodnocení zrychlení. V dosavadním textu jsme si již osvojili základy senzorů, ale neobjasnili jsme si pojem signál, který je kvantitativním výstupem snímače, resp. i měření. Signál nese informaci o velikosti měřené veličiny, tzv. informační parametr. Signály musejí mít k měřené veličině jednoznačnou závislost a také by měly být dobře zpracovatelné. Podle průběhu informačního parametru dělíme signály na: Spojitý signál (analogový) se mění s časem spojitě a mírou velikosti měřené veličiny je amplituda signálu. Spojité signály se zpracovávají analogovými přístroji, které výchylku určují změnou nejčastěji na základě změny v magnetoelektrickém, elektromagnetickém nebo elektrodynamickém ústrojí. Nespojité signály (diskrétní) mají tu vlastnost, že se je nespojitý. Uvažujeme-li dvě osy zobrazení grafu, pak je možné nespojitý signál rozlišit na nespojitost v hodnotě (kvantovaný signál), nebo nespojitý v čase (vzorkovaný signál). Zvláštním případem diskrétního signálu je digitální signál, který je nespojitý v hodnotě i čase. Převod analogového signálu na digitální zprostředkovávají A/D převodníky, o nichž bude psáno dále. Analogicky lze signály třídit i podle časového průběhu a to na: Kontinuální signál, kdy je informační parametr snímán spojitě. - 13 -

Diskontinuální signály jsou snímány ve stanovených intervalech. Mimo časového průběhu signálu se velmi často v diagnostice setkáme i jiným typem zobrazení signálů. Obecně lze signály zobrazovat: •

v časovém průběhu

•

ve frekvenční oblasti – jako výkonové spektrum (viz obr. 7)

•

v amplitudové oblasti při rozdělení pravděpodobnosti

Obr. 7 Zobrazení signálu v časovém průběhu a ve frekvenční oblasti.

Volba vhodného snímače je bezesporu nejdůležitějším krokem při návrhu měřicího řetězce. V senzorové technice se setkáme s několika důležitými pojmy, které určují vhodnost daného snímače, resp. přístroje pro konkrétní aplikaci. Chování měřicího přístroje

můžeme

sledovat

buď

v

ustáleném

stavu

a

tomu

odpovídají

statické vlastnosti nebo při přechodu z jednoho ustáleného stavu do druhého, tj. během přechodového děje, kterému odpovídají vlastnosti dynamické. Statická charakteristika měřicího přístroje udává závislost výstupní veličiny (údaje přístroje) na vstupní (měřené) veličině v ustálených stavech. Získává se měřením tak, že se vstupní veličina postupně nastavuje na předem zvolené hodnoty, a to pozvolna bez překmitnutí, nejprve směrem k maximální hodnotě, a pak zpět k začátku rozsahu. Statická charakteristika, zjištěná při referenčních podmínkách, se označuje jako základní charakteristika (obr. 8).

- 14 -

Obr. 8 Základní charakteristika přístroje.

Zvláštním případem charakteristiky měřicího přístroje je charakteristika s hysterezí. Hystereze je absolutní hodnota největšího rozdílu mezi hodnotami výstupního signálu, odpovídající jedné a téže hodnotě vstupního signálu, při přiblížení se k ní od krajních hodnot bez překmitu. Z obrázku 9 plyne také další vlastnost přístroje s hysterezí a tou je necitlivost nebo lépe pásmo necitlivosti. Pásmo necitlivosti je maximální rozmezí hodnot vstupního signálu při jeho střídavém zvyšování a snižování, při kterém ještě nevzniká zaznamenatelná změna údaje od ustálené hodnoty.

Obr. 9 Hysterezní smyčka

- 15 -

Dynamické vlastnosti měřicího přístroje si lze představit jako statické systémy, které reagují s dopravním zpožděním. Klasickým případem může být například analyzátor výfukových plynů. Znalost dynamických vlastností měřicího přístroje je velmi důležitá pro měření veličin, jejichž hodnota se rychle mění s časem. Nevhodně volený přístroj, tzn. přístroj s nepříznivými dynamickými vlastnostmi, nebude přesně udávat hodnotu rychle se měnící veličiny. Výstupní signál přístroje se bude opožďovat za změnou hodnoty měřené veličiny, údaj bude zatížen značnou dynamickou chybou. [1]

2.3 Zesílení signálu Jak již jsme si uvedli výše, nejčastější transformací měřené veličiny je na výstupní elektrický signál. Obvykle takový signál nemá vhodnou podobu pro zobrazení či záznam a je nutné signál patřičně upravit. Napěťová úroveň, případně výkonová, se musí zesílit ze dvou základních důvodů. Zesílení je nutné kvůli eliminaci rušení v řetězci měření a zejména je požadováno pro efektivní zpracování v dalších členech měření. K zesílení napěťového signálu slouží měřicí zesilovače. Účelem měřicího zesilovače je zesílení analogových výstupních signálů snímačů, a to jak pasivních, tak i aktivních. Dnešní digitální zpracování signálů odstranilo dřívější problémy se zesílením signálů, kdy bylo velmi složité odstranit šumové napětí při vysokém zesílení a navíc v dostatečném frekvenčním rozsahu. Soudobé zesilovače signálu provádějí mimo vlastního zesílení také převod mezi druhem signálu, např. proudový na napěťový a obráceně. Bezprostřední souvislost se zesílením signálu má také další blok v měřicím řetězci, které je skryt pod zesílení signálů a to jsou kmitočtové filtry. Problematika kmitočtových filtrů se ovšem vymyká našim potřebám, proto je nebudeme dále rozvádět. Praktické možnosti použití filtrů jsou zobrazeny na obr. 10.

- 16 -

Obr. 10 Schopnosti filtrace původního signálu pomocí Butterworthova filtru.

[4]

2.4 Konverze analogové podoby signálu na digitální Dosud jsme se zabývali zpracováním signálu, který nese informaci o měřené veličině v analogové podobě. Řekněme, že signál prošel cestou od snímače přes zesílení a filtraci a nyní je dostatečně kvalitní pro zobrazení či vyhodnocení. V dobách minulých by se signál zobrazoval na ručičkovém ukazateli a byl nejspíše archivován na papír. Zpracování takových údajů je z dnešního pohledu neefektivní a to hlavně z důvodu počítačového (procesorového) zpracování dat. Obvody číslicové techniky nejsou schopny zpracovávat údaje v jiné, než dvojkové soustavě z důvodu čistě technických. Skutečný rozmach počítačů nastal až poté, co byl vynalezen tranzistor, který má pouze dva stabilní stavy, otevřen a uzavřen, číselně 0 a 1. Signály tedy musí projít konverzí z analogové podoby, řekněme v desítkové číselné soustavě, do dvojkové – binární soustavy. Abychom nehovořili pouze v abstraktních pojmech, řekněme si něco o číselných soustavách.

- 17 -

Základem číselné soustavy (tzv. báze) definuje maximální počet číslic, které můžeme v dané soustavě použít. V běžném denním životě se setkáváme s desítkovou číselnou soustavou. Ta ovšem není osamocena. V době Sumerů existovala dvanáctková číselná soustava, a to z mystických důvodů šestiprstých lidí. Dnes z této soustavy zbyl pouze první řád – tucet. Desítková soustava byla zavedena z praktičtějších důvodů. Mýtus se šesti prsty nebyl vhodným nástrojem počtů a člověku bylo do vínku dáno prstů pouze deset. Dnešní svět ve všech oborech používá následující číselné soustavy: •

desítková (dekadická, decimální) – základem je číslo 10,

•

dvojková (binární) – základem je číslo 2, nabývá hodnot 0 a 1, číslo ve dvojkové soustavě nazýváme bit – z anglického binary digit

•

osmičková (oktální) – základem je číslo 8,

•

dvanáctková – základem je číslo 12, značnou výhodu oproti desítkové bylo dělení na třetiny beze zbytku,

•

šestnáctková (hexadecimální) – základem je číslo 16, interpretace tohoto čísla je pomocí číslic desítkové soustavy a abecedních znaků (A, B, C, D, E, F),

•

šedesátková – používá se zejména k měření času a vyjadřuje se číslicemi od 0 do 59.

Mezi číselnými soustavami se vyskytuje i pojem Římská číselná soustava, která je však více zápisem hodnot v abecedních znacích, nežli vlastní číselnou soustavou. Uveďme si její znaky: 1 = I, 5 = V, 10 = X, 50 = L, 100 = C, 500 = D, 1000 = M. Pozn. skladba římských číslic je všeobecně známa, ale povšimni ciferníku hodin, kde je navzdory pravidlu číslice 4 uvedena ve tvaru IIII. Samozřejmě u všech těchto soustav můžeme vyjádřit číslo celočíselně a také číslice za desetinnou čárkou. Mezi všemi lze číslo převést. Pro další zpracování signálu budeme používat převody mezi decimální a binární soustavou, případně mezi decimální a hexadecimální soustavou. Existuje několik metod převodu mezi číselnými soustavami, jejich principy si ukážeme na příkladech: Při měření maximálního točivého momentu motoru jsme dospěli k hodnotě 214 Nm při otáčkách 3050 min-1. Signál ze snímače otáček je tedy v decimální podobě 3050. Ovšem počítač jej vidí jako 101111101010. Jak jsme k tomu dospěli?

- 18 -

Převod do binární (resp. jakékoliv jiné) soustavy se provádí dělením základem číselné soustavy. Protože chceme znát hodnotu se kterou počítač pracuje, dělíme dvojkou. 3050 : 2 = 1525

zbytek = 0

1525 : 2 = 762

zbytek = 1

762 : 2 = 381

zbytek = 0

381 : 2 = 190

zbytek = 1

190 : 2 = 95

zbytek = 0

95 : 2 = 47

zbytek = 1

47 : 2 = 23

zbytek = 1

23 : 2 = 11

zbytek = 1

11 : 2 = 5

zbytek = 1

5:2=2

zbytek = 1

2:2=1

zbytek = 0

1:2=0

zbytek = 1

Provedli jsme dělení dvojkou a ze zbytků vytvoříme binární číslo, které v dekadické soustavě odpovídá 3050. Zápis probíhá v obráceném směru, než jaké bychom očekávali. Poslední zbytek dělení se nazývá MSB (z anglického most significant bit – nejvýznamnější bit) a uvádí na začátku řady bitů (pozor na systematiku zápisu binárních čísel!). První zbytek z dělení se naopak píše na konec a označuje se jako LSB (least significant bit – nejméně významný bit). Výsledek čísla 3050 v dekadické podobě je tedy 101111101010 v binární soustavě. Zkráceně se lze setkat také se zápisem: 3050d = 101111101010b (3050)10 = (101111101010)2 Protikladem může být mikroprocesorem stanovená hodnota předstihu zážehu, která je vyjádřena 100100, což pro naše účely není vhodná interpretace a převedeme si ji do decimální podoby polynomickým rozvojem.

- 19 -

100100b = 1.25 + 0.24 + 0.23 + 1.22 + 0.21 + 0.20 = 25 + 22 = 36d Převodem na decimální podobu již víme, že hodnota předstihu zážehu má být 36° před horní úvratí. Ve světě digitálních přístrojů, které diagnostika motorových vozidel hojně užívá, se nezřídka setkáme také s hexadecimální číselnou soustavou. Mnoho chybových kódů palubní diagnostiky je tímto způsobem interpretováno na displeji či monitoru, avšak dílenské příručky mohou závadu popisovat pod decimálním kódem. Znalost převodu z hexadecimální podoby si můžeme demonstrovat na dalším příkladu. Při výčtu závad palubní diagnostiky pod protokolem VAG (proprietální protokol koncernu VW) jsme obdrželi hlášení 04E2. Bohužel máme k dispozici manuál pouze s decimálními kódy. Jak na to? Postupujeme obdobně jako u převodu mezi binární a decimální číselnou soustavou. 04E2h rozepíšeme : 4.162 + 14.161 + 2.160 = 1024 + 224 + 2 = 1250d Pozn. Znak E v hexadecimální soustavě odpovídá číslu 14 v decimální soustavě. Při srovnání s manuálem zjistíme, že kódu závady 1250 odpovídá zkratu na kostru u vstřikovacího ventilu na druhém válci. Objasnili jsme si číselné soustavy a vraťme se zpět ke zpracování signálu. Známe-li hodnotu analogového průběhu signálu, který chceme digitalizovat, tj. převést do binární číselné soustavy, provedeme: 1. diskretizaci časového průběhu původního signálu. Tento termín značí pouze to, že signál bude vzorkovat po určité časové periodě. 2. kvantizaci, kdy se provádí amplitudová diskretizace signálu. Na obrázku 11 je znázorněno schéma digitalizace sinusového průběhu signálu. V horní části je analogový průběh signálu v průběhu jedné sekundy a maximální amplitudou = |1|. Jak už víme, je potřeba pro číslicové přístroje tento signál vzorkovat. To znamená, že vytvoříme vzorkovací impulzy po určitých (konstantních) časových úsecích. Pro závislost času a frekvence platí: f =

1 t

, kde f – frekvence (kmitočet) [Hz], t – čas [s].

- 20 -

V příkladu je zvoleno vzorkování po 0,1 s, což odpovídá 10 Hz. Velmi často se lze setkat u měření pomocí digitálních přístrojů s jinou jednotkou, a to S/s. Význam této jednotky souvisí s anglickým vyjádřením vzorků za sekundu – samples per second. Pokud tuto jednotku budeme dále používat, musíme dbát na to, aby vyjadřovala skutečně vzorkovací frekvenci přístroje, nikoliv frekvenci skutečného (analogového) signálu. Po vzorkování nastává etapa, kdy se v daných časových rozestupech určuje amplituda (výchylka) signálu. Pokud bychom ji chtěli vyjádřit v analogové podobě, pak může mít nekonečně mnoho desetinných míst. Přesnost převodu velikosti měřené veličiny z analogové do digitální podoby je dána rozlišením, které se běžně na

číslicových přístrojích udává v bitech. V tabulce 1 jsou uvedeny rozlišení převodníků s vyjádřením nejmenšího dílku v rozsahu 0 až 10. Tabulka 1 Vztah mezi rozlišením a nejmenším dílkem při konverzi signálu do digitální podoby.

Rozlišení v bitech

Počet úrovní Nejmenší dílek při rozsahu 0 až 10

8

256

0,0390625000000000000000

10

1024

0,0097656250000000000000

12

4096

0,0024414062500000000000

16

65536

0,0001525878906250000000

18

262144

0,0000381469726562500000

24

16777216

0,0000005960464477539060

32

4294967296

0,0000000023283064365387

Pro úplnost dodejme, že výpočet úrovní vychází z binární číselné soustavy, přičemž platí: nk = 2m , kde nk znamená počet kvantovacích úrovní [-], m – rozlišení [bit]

- 21 -

V příkladu na obrázku 11 je zvoleno rozlišení 8 bitů, tedy počet úrovní činí 256. Maximální hodnota signálu (amplituda) činí ±1, což znamená rozsah 2. Podělíme dvojku počtem úrovní a dospějeme k nejmenšímu dílku 0,0078125. Jelikož se jedná o sudé číslo, které neumíme symetricky rozdělit, proto platí pro digitalizaci v 8 bitech kvantizace od -128 do 127 (musíme počítat i s nulou). Při určování chyb jsme narazili na pojem nejistoty měření ručičkovým přístrojem, který činil polovinu nejmenšího dílku stupnice. Analogicky je chyba u digitálního zpracování (chyba amplitudy), polovinou kvantizační úrovně.

Obr. 11 Průběh konverze signálu z analogové do digitální podoby.

- 22 -

V tab. 1 je uvedena maximální schopnost rozlišení ve 32bitech, která je v měřicí technice stále ještě nedostižnou hranicí. Její místo v tabulce má ale jiný význam. Se zvyšujícím se rozlišením se zmenšuje také dílek, teoreticky do nekonečna. V reálném měření je tato hodnota limitována rychlostí převodu, proto se při měření, resp. výběru měřicího přístroje musíme držet těchto zásad: Vzorkování analogového signálu musí být minimálně s dvojnásobnou frekvencí, než je největší frekvence signálu – tato problematika je podrobněji popsána v kapitole osciloskopických signálů. Vzorkovací impulzy jsou dostatečně úzké. Kvantování je dostatečně jemné, tedy výstupní digitální podoba má odpovídající počet bitů. Dospěli jsme k poznání digitalizace signálu a nezbývá než si povědět o technické realizaci konverze analogové a digitální podoby signálu měřené veličiny. K tomuto účelu slouží analogově-digitální převodníky označované jako A/D, AD či ADC. Kvalitu A/D převodníku určují dva hlavní parametry:

1. Rozlišovací schopnost – je určena počtem úrovní, na něž je rozdělen rozsah dovoleného vstupního napětí Rozlišovací schopnost se současně rovná kvantizačnímu kroku. Maximální chyba převodu je tedy u ideálního převodníku rovna polovině kvantizačního kroku. Charakteristika reálného A/D převodníku je však odlišná od ideální charakteristiky vlivem posunu napětí (offset), změnou zisku či nelinearitou převodníku. Značný vliv na kvalitu celkové konverze má stabilita referenčního napětí.

2. Rychlost převodu – je u A/D převodníků obvykle stejná se vzorkováním. Udává se jako doba, která uběhne od přivedení signálu do převodníku do získání plné digitální podoby signálu. V přístrojích, které jsou dnes běžně k dispozici v diagnostické praxi se vyskytují A/D převodníky čtyř základních principů činnosti. Není účelem si objasňovat vnitřní funkci A/D převodníků, ale jelikož jsou součástí přístrojů a velkou měrou se podílí na výsledné kvalitě měřicího zařízení shrňme si jejich vlastnosti (tab. 2) tak, abychom mohli určit vhodnost použití A/D převodníku pro konkrétní měřící aplikaci.

- 23 -

Tabulka 2 Parametry A/D převodníků.

Typ převodníku

Rozlišení (bit)

Rychlost vzorkování (kS/s)

Paralelní

6 až 10

10 000 až 3 000 000

Aproximační

8 až 16

30 až 3 000

Integrační

10 až 27

0,0001 až 1

Sigma-delta

16 až 24

0,01 až 60 000

Z tabulky vyplývají technické parametry převodníků a jejich možné uplatnění. Každý má však specifika, které znemožňují nasazení v jakémkoliv přístrojí. Nezbytným zohledněním je také cena převodníků. [1]

2.5 Zobrazení výsledků měření Výsledek měření je nutno zprostředkovat obsluze měřicího přístroje tak, aby vždy byly zachovány ergonomické požadavky. Neexistuje jednoznačná odpověď na otázku optimálního způsobu prezentace. Mozek určitě lépe zpracuje číselnou podobu na přístroji, než odečítáním ze stupnice. Ovšem pro některé aplikace jsou výhodnější analogové ukazatele, na nichž jsou lépe vidět změny měřené veličiny. Poměrně velká

část diagnostických přístrojů je dnes založena na platformě PC. Zde se s výhodou využívá integrovaných zobrazovacích prvků, např. na bázi LCD (displej z tekutých krystalů), případně může být využit touchscreen, který umožňuje i obsluhu přístroje přes snímací fólii umístěnou přímo na obrazovce. Pozor na záměnu významu analogové zobrazení výsledku měření a analogový přístroj! Analogové zobrazení může být z výše zmíněných důvodů aplikováno také u ryze digitálních přístrojů.

- 24 -

3. MĚŘICÍ PŘÍSTROJ A MĚŘICÍ ŘETĚZEC Předchozí statě popisovaly vlastní proces měření od přípravy, přes realizaci až k vyhodnocení včetně určení chyby měření. Dále se budeme zabývat měřidly (měřicími přístroji) a řetězci a určením jejich vlastností. Není to poprvé, kde je nutno zmínit, že nastává problém s jazykovou rozmanitostí češtiny, pojem měřidlo a měřicí přístroj jsou si ekvivalentní, což je z pohledu jazykovědy unikátem, neboť angličtina, němčina či francouzština slovo měřidlo nemá.

Měřicí přístroj je technický prostředek ke zjištění hodnoty měřené veličiny. Měřicí přístroj je obecně zařízení, které zpracovává vstupní veličinu x na výstupní veličinu y na základě určitého fyzikálního principu, použitého při konstrukci přístroje. Vstupní (měřená) veličina je přetvářena přístrojem na jinou veličinu (údaj přístroje), lišící se od původní veličiny kvalitativními znaky. Tvar a velikost výstupní veličiny se

řídí účelem, pro který je přístroj určen. Podle vstupní veličiny bývá přístroj pojmenován, tvar signálu výstupní veličiny pak určuje, zda jde o měřicí přístroj analogový či digitální (číslicový). Analogový měřicí přístroj je charakteristický tím, že každé hodnotě měřené veličiny je přiřazena určitá hodnota jiné veličiny s analogickým průběhem závislosti signálu. Naproti tomu digitální poskytují hodnotu měřené veličiny nespojitě. Měřicí přístroj může být jednoduchý a tvořit jeden konstrukční celek, ale může být i složitý a skládat se z více konstrukčních celků. V takovém případě hovoříme o měřicím zařízení. Měřicím řetězcem rozumíme sled jednotlivých prvků mezi snímačem, který je prvním článkem řetězce a vyhodnocovacím či záznamovým zařízením, které je jeho posledním článkem (viz obr. 12).

- 25 -

Obr. 12 Schéma obecného měřicího řetězce

3.1 Parametry měřicích přístrojů Spektrum aplikací měřicích přístrojů v automobilové diagnostice je velmi široký, proto existuje mnoho hledisek jejich rozdělení. Pro potřeby měření je velmi vhodné zvolit si jednoduché otázky, ze kterých vyplynou požadované vlastnosti přístrojů: Jakou veličinu měříme? Jaký je rozsah měřených hodnot? Jaká je přesnost měření?

3.2 Rozsah přístroje Údaj o rozsahu přístroje je základní charakteristikou přístroje z níž vyplývá schopnost měřit danou veličinu. Obvykle se tato hodnota uvádí přímo na přístroji. Obecně platí, že v případě ručičkových přístrojů jejich přesnost klesá s velikostí rozsahu, což lze

částečně odstranit přepínáním stupnic rozsahu. Číslicové přístroje poskytují značné zvýšení komfortu měření (automatické přepínání rozsahu apod.) a také rozšíření rozsahu při zachování přesnosti přístroje.

3.3 Citlivost přístroje Tento parametr charakterizuje schopnost přístroje reagovat na změnu měřené veličiny. Slovně je definován jako poměr přírůstku výchylky ukazatele přístroje (číselnou změnu) k přírůstku měřené veličiny.

- 26 -

3.4 Rozlišovací schopnost Rozlišení značí nejmenší změnu měřené veličiny, která je pozorovatelná na dílku stupnice. U ručičkových přístrojů se jedná o dílek či polovinu dílku stupnice. Číslicové přístroje mají rozlišovací schopnost dánu změnou o jedničku na posledním místě displeje.

3.5 Přesnost přístroje Pojem přesnosti přístroje lze definovat jako schopnost přístroje udávat hodnotu měřené veličiny s určitou, co do velikosti nejmenší odchylkou od skutečné hodnoty. Někdy je mylně přesnost přístroje zaměňován za citlivost přístroje. Citlivost lze například zvýšit při změně časové odezvy přístroje. Přesnost přístroje je běžně popsána třídou přesnosti přístroje, která vyjadřuje maximální chybu v celém rozsahu měření.

3.6 Spolehlivost a životnost Přístroje v diagnostice motorů se opírá o bezporuchový provoz technických prostředků, které mají na základě měření sloužit ke zjištění stavu měřeného objektu. Pro přístroje platí exponenciální křivka, která popisuje možnost vzniku poruchy přístroje, dále je spolehlivost u výrobců udávána jako střední doba mezi poruchami s vyjádřením jednotek (hodiny, počet otáček aj.). U specifických přístrojů je přímo udávána doba životnosti (čas nebo i konkrétní počet měření). Mezi další sledované parametry měřicích přístrojů patří dynamické charakteristiky. Teorie dynamických vlastností je nad rámec nutných znalostí, ale uveďme si alespoň pojmy, se kterými se lze v praxi setkat: •

přechodová charakteristika – odezva na skokovou změnu vstupní veličiny,

•

rychlostní (lineární) charakteristika – odezva na změnu, která probíhá konstantní rychlostí,

•

frekvenční charakteristika – odezva na harmonickou změnu vstupní veličiny.

[4]

- 27 -

4. MĚŘENÍ ELEKTRICKÝCH VELIČIN Neodmyslitelnou částí zkušebních postupů je hledání příčin poruchy v elektrických či elektronických obvodech motorových vozidel. Je třeba si uvědomit, že „elektřina“ má unikátní, leč diagnosticky schizofrenní pozici. Může totiž nést nejen energii pro některý z vozidlových systémů, ale slouží také pro přenos informací. Objektivně lze tvrdit, že elektrické části vozidla s elektronickou regulací patří mezi nejhůře diagnostikovatelné objekty. Automobilový průmysl začlenil do svých produktů elektrické obvody a stroje již v počátcích tohoto odvětví. Je nutné si uvědomit, že „teprve“ roku 1799 se objevil zdroj stálého elektrického proudu na bázi Voltova článku a roku 1821 Michael Faraday představil světu princip elektromotoru. Celých deset let trvalo Faradayovi, než dokázal domněnky, že pokud teče proud vodičem a vytváří se kolem něj magnetické pole, pak musí existovat opak tohoto jevu – elektromagnetická indukce. Úsilí v hledání zákonů elektřiny a magnetismu završil roku 1865 teorií elektromagnetického pole James Clerk Maxvell, které popsal elektromagnetické jevy v pouhých čtyřech rovnicích, přičemž na jejich základě předpověděl další jevy, jejichž příčina není dosud zřejmá. V roce 1885 si Karel Benz nechal patentovat svoji motorovou tříkolku, tehdejší vyspělý dopravní prostředek byl ovšem elektrické energie prostý a zážeh směsi se musel spoléhat i přes vrtochy na žárové zapalování. O rok později byla Robertem Boschem ve Stuttgartu založena dílna pro jemnou mechaniku. Technicky nadaný Bosch představil v roce 1902 vysokonapěťové zapalování se zapalovacími svíčkami, které značně zvýšilo spolehlivost Ottových motorů. První zapalovací svíčky si 24. září 1902 koupila automobilka Daimler. Tehdejší provedení se do hlavy válce uchytilo dvěma šrouby, ovšem 5. října byl tvar upraven na dnešní podobu se závitem, který tvoří část zapalovací svíčky.

- 28 -

Vysokonapěťové zapalování s mechanickými částmi, které tvořily přerušovač a díly rozdělovače, bylo nutno chránit před opotřebením kontaktů nejen kvůli mechanickému působení, ale zejména elektrickému namáhání při sršení oblouku mezi kontakty. Aby kontakty nebyly brzy poškozeny obloukovými návary, zařadil se paralelně ke kontaktům přerušovače kondenzátor. Společnost Roberta Bosche stojí také za zrodem elektrického spouštěče motoru, který uživatelům automobilů z počátku 20. století výrazně zjednodušil startování a navíc odstranil zranění od mechanického spouštěcího zařízení – kliky. Předchozí řádky nejsou pouze rekapitulací elektrické výzbroje ve vozidle, ale zmíněné části nesou všechny veličiny, se kterými se lze v elektrotechnických a elektronických obvodech vozidel setkat a také měřit. Jedná se: •

Elektrické napětí

•

Elektrický proud

•

Elektrický odpor, indukčnost a kapacita

Prapůvod objevu elektřiny, coby souhrnného pojmenování pro jevy elektrické a elektromagnetické, lze vystopovat již ve starém Řecku. Thales Milétský popsal nástroj vyrobený z jantaru, který při spřádání lnu na sebe zachycoval nečistot, zatímco vlákna lnu byla odpuzována. Nevěda si rady s příčinou tohoto jevu, nazval jej třením probuzenou duší jantaru. Lidstvo po celá staletí využívalo výhod elektrostatického pole, aniž by znalo příčinu. Teprve v 18. století se začaly formovat teorie elektřiny. Bylo objeveno, že „neznámou“ sílu způsobuje elektrický náboj Q. Elektrický náboj je jev, který způsobí porušení rovnováhy mezi elektrony a jádry atomů. Lze si je představit jako nahromadění elektronů (popřípadě jiných částic nesoucích náboj), tedy

částic se stejným znaménkem náboje. Okolo tělesa, které je tímto způsobem „nabito“ vzniká elektrické pole. Množství náboje, který projde látkou za jednotku času, vyjadřuje elektrický proud I: I=

Q t

, kde I znamená elektrický proud [A], Q je elektrický náboj [C], t značí čas [s].

- 29 -

Při přeskupení částic nesoucích elektrický náboj se v tělesech „vytváří“ elektrické pole. Působení elektrického pole mezi elektricky nabitými objekty lze charakterizovat silou, která je přímo úměrná velikosti nábojů obou těles a nepřímo úměrná kvadrátu vzdálenosti. Tuto sílu lze také popsat intenzitou elektrického pole:

E=

F Q

, kde E je intenzita elektrického pole [NC-1], F značí sílu působící na náboj [V], Q je vyjádřením náboje [C]. Síla F způsobí, že náboj se v elektrickém poli přemístí směrem k opačně nabitému náboji a vlastně tak urazí dráhu d. Ze základních principů fyziky je známo, že koná-li jakékoliv těleso pohyb, resp. působí-li na něj hybnou silou a vykoná-li v důsledku toho pohyb o dráze d. Platí, že součin síly a dráhy je práce. Pomocí této znalosti lze definovat elektrické napětí U: U = E ⋅d

, kde U znamená elektrické napětí [V], E značí intenzitu elektrického pole [NC-1], d je dráha vykonaná nábojem [m]. Matematické vztahy lze pro názornost vyjádřit následovně. Vodič elektrického proudu je téměř vždy vyroben z kovu, který je tvořen krystalickou mřížkou. Na vnější slupce elektronového obalu se pohybují valenční elektrony, které se snadno od atomu odtrhnou. Vznikne tak kladný iont a volný elektron. Ze vzdálenějšího pohledu se elektrony jeví jako elektronový plyn, který vodičem rozličně pohybuje. Připojením vodiče ke zdroji napětí se pohyb elektronů usměrní a podle zmíněných pravidel polarity se elektrony budou pohybovat od záporného pólu ke kladnému. Protože v reálném světě neexistuje pouze forma energie elektrická, ale například také tepelná. Projevem tepla je tepelný kmit atomů. U vodičů kmit atomů, resp. iontů vázaných v krystalické mřížce způsobí, že elektronový plyn se s těmito kladnými částicemi sráží.

Čím vyšší bude teplota, tím více poroste velikost výkmitu iontu a tím také poroste množství srážek mezi elektrony v elektronovém plynu a kladně nabitými ionty. Pohybová energie elektronového plynu klesá a vytváří tím tedy odpor, který je nazýván elektrický odpor R. Velikost elektrického odporu vodiče lze napsat ve tvaru: R = ρ⋅

l S

- 30 -

, kde R znamená elektrický odpor vodiče [Ω], ρ vyjadřuje měrný odpor vodiče, veličinu charakterizující odpor materiálu proti průtoku proudu [Ω.m], l je délka vodiče [m], S znamená průřez vodiče [m2]. Z definice elektrického odporu je zřejmé, že pokud dojde ke srážce elektronového plynu a kladného iontu vodiče, pak má srážka charakter většího výkmitu iontu. Lze tedy tvrdit, že se zvýší tepelný kmit atomu a vnějším projevem bude vyšší teplota vodiče. Množství tepla, které se přemění z elektrické energie je dáno vztahem:

Q = R⋅ I2 ⋅t , kde Q je teplo označované jako Jouleovo [J], R je elektrický odpor [Ω], I znamená elektrický proud [A], t vyjadřuje čas [s]. Při diagnostice elektrických obvodů motorových vozidel je tedy vhodné si všímat i teploty vodičů, která může značit závadu způsobenou zvýšením průtoku elektrického proudu. Důvodem zvýšení proudu obvodem je snížení elektrického odporu (rezistivity) některé z části elektrického okruhu. Slovní vyjádření této vlastnosti popisuje Ohmův zákon, který lze matematicky zapsat: R=

U I

nebo

U = R⋅ I

případně I =

U R

Pro diagnostiku elektrických obvodů je znalost a umění aplikace Ohmova zákona naprosto nevyhnutelná. V tabulce 1.9.1 jsou uvedeny hodnoty měrného odporu kovů, které jsou běžně používané materiály pro vodiče nebo spojení vodičů v obvodech vozidel. Tabulka 3 Měrný odpor vybraných kovů.

Materiál Měrný

Stříbro

Měď

Zlato

Hliník

Ocel

Olovo

0,0152

0,0169

0,0220

0,0267

0,1500

0,2060

elektrický

odpor [x 10-6 Ω.m]

Pokud obvodem protéká proud I při napětí U, pak jejich součin udává elektrický výkon: P =U⋅I

, kde P označuje výkon [W], U je napětí [V], I znamená elektrický proud [A].

- 31 -

Principiálně není rozdíl mezi mechanickým a elektrickým výkonem. Pouze na rozdíl od mechanických strojů se v elektrotechnice používá častěji vyjádření, které nerespektuje účinnost přeměny energie – příkon. Měření elektrických veličiny – napětí, proudu a ohmického odporu podléhá jednoduchým pravidlům znázorněným na obr. 13.

Obr. 13 Pravidla zapojení přístrojů při měření napětí, proudu a elektrického odporu.

Z obrázku 13 je zřejmé, že voltmetr se do obvodu zapojuje paralelně. Důvodem paralelního měření je podmínka, že přístroj musí mít co nejmenší vliv na měřený elektrický obvod. Tedy vnitřní odpor voltmetru musí být velmi velký, řádově v MΩ. Tím je zajištěno, že voltmetrem poteče pouze velmi malý proud. Při měření voltmetrem platí zásada, že není-li známo napětí v obvodu, pak se vždy při měření nastaví největší možný rozsah, aby se předešlo přetížení přístroje. Při měření proudu je ampérmetr zapojen sériově do obvodu a má velmi malý vnitřní odpor. Stanovení elektrického odporu vychází z aplikace Ohmova zákona. Pro standardní měření se nejčastěji používá měření s konstantním proudem v řádu desítek či stovek µA, maximálně mA. Úbytek napětí na rezistoru, případně součástce s ohmickým odporem, pak určuje elektrický odpor. Při měření delších vedení je třeba dbát i na elektrický odpor vodičů, které mohou výsledek výrazně ovlivnit.

- 32 -

V současné době jsou v diagnostice motorových vozidel používány k měření elektrických veličin digitální, ale i analogové přístroje. Důvodem proč se lze setkat s analogovými voltmetry či ampérmetry je jejich schopnost funkce i bez zdroje proudu – baterie či akumulátoru. Princip činnosti vychází ze znalosti, že kolem cívky, kterou teče proud, se vytváří magnetické pole vychylující ručičkový ukazatel přístroje. Konstrukční řešení může mít několik variant s otočnou cívkou či lineárním posuvem (viz obr. 14).

Obr. 14 Analogový voltmetr s magnetoelektrickým ústrojím.

Značná nevýhoda analogových přístrojů vychází z principu měření, a to nemožnost použití pro měření více elektrických veličin. Existují sdružené ručičkové přístroje, avšak při měření těmito měřidly je nutné dbát na volbu správného rozsahu, jinak dojde k jeho trvalému poškození. Převážná část elektrických měření v diagnostice motorových vozidel se však spoléhá na digitální přístroje. Téměř vždy se jedná o univerzální zařízení, pro které se vžil obecný název – multimetr, někdy také multitester. Digitální multimetry (DMM) jsou zařízení, které umožňují měření: Jednoduché multimetry: •

Napětí (stejnosměrné, střídavé),

•

Proudu (stejnosměrný, střídavý),

•

Elektrického odporu.

Precizní multimetry mimo zvýšené přesnosti měření veličin mohou navíc sloužit ke stanovení: •

Kapacity,

- 33 -

•

Frekvence,

•

Střídy (poměr času mezi úrovněmi signálu),

•

Induktance,

•

Test tranzistorů a diod.

Víceúčelové multimetry, například pro automobilové aplikace měření, mohou měřit mimo zmíněné veličiny i neelektrické veličiny. Z významných rozšíření pro diagnostiku lze jmenovat měření: •

Teploty,

•

Otáček (např. motoru),

•

Části zapalování (primární okruh),

•

Periody mezi pulzy (vstřikování aj.),

•

Rozšířené funkce pro měření senzorů,

•

Logických úrovní.

Vývoj měřicích přístrojů se v posledních letech soustředí na integraci množství funkcí do jediného přístroje. Lze se setkat s přístroji, které mohou měřit elektrické i neelektrické veličiny, nesou v sobě několika-kanálový osciloskop a navíc obsahují také rozhraní pro sériovou či paralelní diagnostiku. Tyto přístroje budou podrobněji popsány v kapitole palubní diagnostiky. Digitální multimetry lze dělit podle rozličných hledisek – veličin, přesnosti či rozsahu, avšak jeden typický údaj je kategorizuje. Tímto údajem je počet zobrazitelných míst. Pokud je v charakteristice multimetru uvedeno, že se jedná o multimetr s 5 ½ místným displejem, znamená to, že lze zobrazit číslo od 0 do 199 999. Pět z těchto míst může nabývat hodnoty od 0 do 9. Označení ½ vyjadřuje skutečnost, že první číslice může nabývat hodnoty 0 a 1 (příkladu je to tedy 1 v čísle 199 999).

- 34 -

Obr. 15 Digitální multimetr.

Jelikož je měření s pomocí digitálních multimetrů nejrozšířenějším způsobem měření elektrických veličin, resp. prostředkem hledání poruchy v elektrických systémech motorových vozidel, bude následný stručný popis patřit právě jim.

- 35 -

Při měření napětí a proudu digitálním multimetrem je nutné dodržet pouze správné připojení přístroje do elektrického obvodu podle měřené veličiny. U zdířek měřicích hrotů je vždy uvedeno pro jaké veličiny smí být zdířka užita. Výhodou digitálních multimetrů je nezávislost polarity, pokud nebude dodržena podle obecných pravidel, přístroj sám indikuje přepólování, avšak hodnota je zobrazena správně. Taktéž je přístroj ochráněn proti zničení při volbě nevhodného rozsahu, uživateli zobrazí znak, aby přepnul na vyšší rozsah. Některé přístroje přepínání rozsahu provádějí automaticky pro překročení maximální hodnoty „vhodného“ rozsahu. Při měření proudu je pouze třeba dát na maximální proud, který může multimetrem protékat, neboť zpravidla je zdířka pro měření vyšších proudů nejištěna tavnou pojistkou. Na obr. 16 je zobrazen mimo digitální multimetr také často používaný klešťový ampérmetr (multimetr), který je schopen měřit proud v obvodu bez nutnosti rozpojení okruhu a vložení standardního ampérmetru či multimetru. Mimo měření proudu je schopen klešťový multimetr měřit také napětí, elektrický odpor, frekvenci a také výkon činný, jalový či zdánlivý. Podle charakteru průběhu proudu existují klešťové multimetry AC (střídavý proud) nebo DC (stejnosměrný proud). Při měření AC je nutné měřit odděleně fázový vodič, nikoliv kabel s fází i nulovacím vodičem společně. Princip činnosti bezdotykového měření proudu je založen na Hallově efektu.

Obr. 16 Měření napětí akumulátoru digitálním multimetrem a měření proudu klešťovým ampérmetrem.

Při měření napětí a proudu je nutné rozlišit jejich charakter, neboť na rozsahu nastaveném na stejnosměrné napětí nelze měřit napětí střídavé. Došlo by

„průměrování“ amplitud a výsledek by podle symetrie u sinusového průběhu činil nulu. Pozor tedy při měření neznámých obvodů, protože by se mohlo dojít k mylnému závěru, že okruh není pod napětím. - 36 -

Elektrický proud a elektrické napětí jsou veličiny, které mají schopnost konat práci. V reálných obvodech se lze setkat s „parazitními“ jevy, které elektrický obvod ovlivňují. Obecně se jedná o: •

Elektrický odpor

•

Kapacitu

•

Indukčnost

Ve střídavých obvodech je vzájemné působení jmenovaných vlastností poměrně složité, proto nebudou dále popisovány, pouze bude naznačen způsob měření relevantní k diagnostice motorových vozidel. Měření elektrického odporu je analogické s měřením napětí a ve většině

případů jsou měřicí zdířky stejné pro měření napětí i rezistivity. Obvod či součástka, u které potřeba určit elektrický odpor, nesmí být pod napětím a pro přesnost, zejména u malých odporů, je třeba zajistit kvalitní kontakt měřicích hrotů s měřeným objektem. Při měření na plošných spojích je třeba také dávat pozor, aby některý z případných kondenzátorů nebyl nabitý. Jednoduchou pomůckou pro zrychlení práce či při práci ve ztížených podmínkách jsou digitální multimetry vybaveny zvukovou signalizaci, která upozorní, že odpor klesl pod přibližně 50 Ω. Kapacita vyjadřuje schopnost látky uchovat elektrický náboj. Čím více náboje

je materiál schopen uchovat, tím větší je kapacita. Jednotka faradu je v praxi příliš vysoká, proto je možné se setkat s nižšími hodnotami od pF po mF. Ačkoliv elektrická kapacita je vlastní každému vodivému materiálu, v elektrických obvodech jsou jako kapacitory vždy použity kondenzátory. Kapacitu kondenzátoru lze na digitálním multimetru změřit v rozsahu od desítek pikofaradů do stovek mikrofaradů, přičemž spodní hranice je spíše odhadem než skutečnou hodnotou.

Obr. 17 Měření kapacity kondenzátoru na digitálním multimetru.

- 37 -

Měření indukčnosti není v diagnostice zcela běžným typem měření. V podstatě se

měření součástek s indukčností – cívek zjednodušuje na měření elektrického odporu jednotlivých vinutí. Přesto některé typy digitálních multimetrů obsahují možnost měření indukčnosti. V automobilech lze takto měřit většinou omezeně na zapalovacích soustavách, kde u primárního vinutí lze očekávat indukčnost do cca 5mH, přičemž typický ohmický odpor je v řádu jednotek ohmů. Na sekundárním vinutí indukčnost dosahuje až desítek henry, což je většinou mimo rozsah měření digitálních multimetrů. Také ohmický odpor sekundárního vinutí se pohybuje v řádech jednotek až desítek kΩ. Bezesporu zvýšení užitných vlastností digitálních multimetrů přináší také jednoduché zkoušení polovodičových součástek – diody a tranzistoru. Test diody (viz obr. 18) je založen na zkoušení v propustném a závěrném směru proudem, který by neměl příliš překračovat 1 mA. Úbytek napětí v propustném směru se bude pohybovat u křemíkových diod okolo 0,6V až 0,7V, u germaniových méně 0,2V až 0,4 V a u Schottkyho diody do 0,3V. Pro zkoušení Zenerových diod jsou určeny multimetry, které umožní generovat vyšší testovací napětí – cca 20V. Při zkoušení funkčnosti diod je výsledek na displeji zobrazen jako úbytek napětí na diodě v jednotkách mV.. Pokud bude měření diody provedeno v závěrném směru, pak bude na displeji zobrazen symbol, který výrobce multimetru většinou užívá pro přetečení rozsahu. V případě, že se symbol zobrazí i po záměně hrotů připojení k diodě, pak je dioda s největší pravděpodobností poškozena.

Obr. 18 Zkoušení diody pomocí digitálního multimetru.

- 38 -

Neméně užitečnou vlastností digitálních multimetrů je zkoušení funkce tranzistoru (obr. 19). Přístroje mají pro tento účel vymezenu část rozsahu, která nese pojmenování hFE. Označení udává tzv. proudové zesílení nebo zesilovací činitel, který lze nalézt v katalogovém listu každého typu tranzistoru. Naměřená hodnota činitele je vždy pouze orientační a spíše je možné na základě velikosti určit správnou funkci tranzistoru. Reálné zesílení tranzistoru závisí na pracovním proudu. Postup měření je takový, že na bázi tranzistoru je přiveden proud v řádech µA při napětí mezi kolektorem a emitorem cca 3V. Multimetr odečte proud kolektoru a z hodnot provede výpočet hFE. Podmínkou ovšem je, stejně jako u výše zmíněných měření, že tranzistor není zapojen v obvodu a při vzájemném srovnávání polovodičů jsou jejich teploty totožné. Většina multimetrů jsou konstruovány pro bipolární tranzistory, nelze tedy měřit zesílení unipolárních tranzistorů, případně tranzistorů –FET. Patice pro zkoušení tranzistorů je rozdělena pro zkoušení PNP a NPN tranzistorů a jednotlivé zdířky jsou označeny: •

E – emitor,

•

B – báze,

•

C – kolektor,

přičemž pro různá zapojení – společný emitor, společná báze, společný kolektor, je v patici o zdířku (emitoru) navíc.

Obr. 19 Zkoušení tranzistoru, resp. měření zesilovacího činitele tranzistoru digitálním.

[1]

- 39 -

5. OSCILOSKOP Závada v elektrické výzbroji či elektronických obvodech motorových vozidel není bohužel často popsána pouze velikostí některé z elektrických veličin. Často tedy nelze na základě jedné změřené hodnoty stanovit správnou či chybnou funkci systému. Stejně důležitou roli jakou nese velikost veličiny je i její průběh v čase. Většina systémů motorových vozidel mají základ principu činnosti v dynamických jevech, jejichž projev – fyzikální veličina převedena nejčastěji na elektrický signál, je značně rozdílný i v krátkých časových intervalech. Kontinuální sledování signálu nelze provádět ani na ručičkovém ani na číslicovém přístroji. Tyto přístroje totiž nejsou uzpůsobeny pro zobrazení signálu v čase. Přístroje, které jsou schopny zobrazit hodnoty signálu v definovaných časových úsecích, nesou označení osciloskop. Potřeba sledování signálu v čase provázela techniky po celé devatenácté století. Teprve na sklonku, resp. roku 1897 představil Karl Ferdinand Braun fyzikální princip osciloskopu. Původní označení neslo částečně i základ, na němž pracoval – katodová trubice (ang. zkratka CRT). Zobrazení průběhu signálu na obrazovce bylo doslova revolucí při měření dynamických signálů. Tvar signálu je na obrazovce tvořen elektronovým paprskem, který prochází vychylovacím systémem obrazovky. V tělese obrazovky je vysoké vakuum. Katoda je tvořena vláknem, které je rozžhaveno a emituje elektrony v souvislém proudu. Elektrony jsou urychlovány soustavou anod, kde se navíc soustředí do elektronového paprsku. Následuje zmíněný vychylovací systém, který mění směr elektronového paprsku tak, aby po dopadu na stínítko zanechal svítící stopu, která bude ekvivalentní tvaru signálu (viz obr. 20).

- 40 -

Obr. 20 Znázornění principu činnosti obrazovky a první provedení katodové trubice.

Vývoj osciloskopu prošel několika zlomovými okamžiky od ryze analogových osciloskopů, přes kombinaci elektronek a polovodičů s CRT obrazovkou až po digitální přístroje a osciloskopické karty v počítačích. Dnes se osciloskopy dělí pouze do dvou skupin:

1. analogový osciloskop, 2. digitální (paměťový) osciloskop. Zobrazovacím prvkem analogových osciloskopů je katodová trubice obdobná té, kterou lze nalézt u televizorů či starších (CRT) monitorů. Na rozdíl od nich ovšem osciloskop (viz obr. 22) nutně vyžaduje rychlejší systém vychylování elektrostaticky, neboť analogové osciloskopy jsou schopny pracovat s kmitočtem v řádech až jednotek GHz. Rychlost elektrostatického vychylování je na úkor vychylovacího úhlu, který je menší než u televizních a dosahuje maximálně 110°. Vychýlení paprsku je indikováno změnou polohy bodu na stínítku. Vychylování paprsku je v obou směrech – v ose x (horizontální) i y (vertikální), proto obrazovka má dva systémy vychylování s vlastními zesilovači. Na zadní straně analogového osciloskopu je ještě vyveden tzv. Z vstup, který slouží k modulaci jasové stopy. Změnou přiváděného napětí lze měnit intenzitu paprsku až ke zatmění stopy. Zajímavostí Z vstupu je vykreslení prostorových objektů pomocí změny jasu jakožto třetího rozměru. - 41 -

Obr. 21 Interpretace signálu v prostorovém zobrazení za pomoci Z vstupu.

- 42 -

Zesílení vertikálního i horizontálního zesilovače lze měnit, přičemž podle vzrůstu pilovitého napětí lze měnit časové měřítko, které se běžně označuje jako časová základna osciloskopu. Pokud bude na horizontální zesilovač přiveden harmonický, např. sinusový signál, je nutné synchronizovat generátor pilovitého napětí se sinusovým signálem, tzv. synchronizace časové základny. V opačném případě bude zobrazeno mnoho sinusoid, které tvoří pruh s výškou dvojnásobné amplitudy sinusoidy a jejichž počátky leží rozprostřeny v ose x. Z důvodu synchronizace je na generátor

časové základny přiveden synchronizační signál, resp. synchronizační napětí, které umožňuje urychlení i zpoždění generátoru časové základny. Pro potřeby měření v některých aplikacích je možné také generátor spustit podle požadavků na úroveň vstupního napětí – trigger. Jakmile je dosaženo prahové hodnoty, trigger spustí generátor. Trigger může být nejen interní, kdy je sledována amplituda měřeného signálu, ale i externí, kterým je možno spustit časovou základnu synchronizačním napětím. Typ signálu pro trigger označuje, zad-li se jedná o analogový či digitální spouštění generátoru. Většina analogových osciloskopů umožňuje vstup alespoň dvou měřených signálů označených jako CH A či CH B (channel A or B). Více kanálů neznamená, že přístroj má více obrazovek, ale k zobrazení dvou průběhů je užito dvou základních mechanismů, jak zobrazit dva či více kanálů na jedné obrazovce. Prvním z nich je přepínání kanálů v krátkých úsecích v rámci jedné časové základny (CHOP). Druhým způsobem je střídání obou či vícero celých průběhů (ALT). Přepínačem lze volit způsob zobrazení kanálů a provádět jednoduché operace se signály – sečtení či inverzi. Stínítko obrazovky je tvořeno luminoforem, který mimo vlastního vykreslení stopy zabezpečí, že obraz nebude blikat při frekvenci zobrazení nad 40 Hz. Ergonomie zobrazení je spoludotvářena také rastrem na obrazovce pro snazší odečet, přičemž u trvalých rastrů je optimální strana čtverce 10 mm. Strana čtverce rastru je označována jako dílek a vztahují se k ní časová i napěťová měřítka, např. 50µs/ dílek, 5 mV/ dílek (v anglickém popisu: 50µs/ DIV, 5 mV/ DIV).

- 43 -

Obr. 22 Analogový osciloskop a blokové schéma prvků osciloskopu

Analogové osciloskopy, byť jsou stále velkou měrou zastoupeny v přístrojové technice diagnostiky, jsou v současnosti postupně vytlačovány digitálnímu přístroji. Vnější provedení digitálního osciloskopu, resp. ovládací prvky, vychází z analogových přístrojů, ovšem zpracování signálů je zásadně odlišné. Zatímco u analogového osciloskopu byl signál upraven zesilovači tak, aby byla stopa čitelná na obrazovce, u digitálního přístroje je signál konvertován ze spojité funkce na vzorkovaný signál s určitým bitovým rozlišením. Základní úpravy signálu včetně digitalizace byly popsány v kapitole 1.5.

- 44 -

Obr. 23 Digitální a analogový osciloskop.

Možnosti digitálních osciloskopů již dávno přesáhly rámec použití analogových přístrojů. Prvotní impulsem proč se začaly konstruovat jednoduché digitální osciloskopy byla snaha o uložení záznamu hodnot, ať již formou zachycení obrazovky, nebo záznamem spuštěným současně s triggerem. V éře analogových osciloskopů se zobrazení předchozích průběhů řešilo kompromisem mezi luminiscencí a fluorescencí, která „zpožďovala“ zánik stopy. Dnes jsou všechny digitální osciloskopy schopny ukládání naměřených hodnot, proto také úplné označení je digitální paměťový osciloskop.

Výhody digitálních paměťových osciloskopů lze shrnout do několika bodů: •

větší, kontrastní a jasný displej s vysokým počtem barev,

•

při shodné časové bázi nabízí rozlišení v řádu µV,

•

stanoví frekvenci harmonických signálů, detekuje dobu pulzu, peak-to-peak

•

nové metody spouštění – pre trigger, edge trigger apod.,

•

obraz je možno posouvat či zvětšovat vybranou oblast, také práce s kurzorem je snazší, - 45 -

•

v případě obrazců s 3D zobrazením je možno hodnoty ukládat do 2D pole,

•

použitá rozhraní umožňují automatizovat měřicí aplikace synchronizované s jinými zařízeními,

•

integrace matematických nástrojů zvyšují schopnosti zařízení na tzv. analyzátory signálu (jedná se zejména o Fourierovy transformace, logické analyzátory, filtrace signálu apod. – viz obr. 24).

Obr. 24 Analyzátor signálu (Tektronix).

Předchozí odstavce ve stručnosti popsaly principy funkce osciloskopu. Než bude možné přistoupit k praktickému užití digitálního osciloskopu, nelze se vyhnout vysvětlením několika pojmů, které jsou nezbytné pro spolehlivá osciloskopická měření. Jedním z údajů, které nesou informaci o schopnosti osciloskopu měřit harmonický signál s určitou frekvencí, je šířka pásma (ang. bandwidth). Zjednodušeně je možné říci, že tato hodnota udává maximální přípustnou frekvenci při které nenastává významná degradace obrazu signálu. Matematicky je šířka pásma definována jako frekvence sinusového průběhu signálu zeslabeného na 70,71% ( 0,5 ⋅ 2 ) originálního průběhu, v praxi se vyjadřuje v poměrných logaritmických jednotkách: šířka pásma = 20 . log 0,7071 = -3dB , výsledek je běžně označován jako -3dB bod. Pravidlo říká, že pro měření je nutné použít osciloskop, který má minimálně dvojnásobnou šířku pásma než je maximální frekvence měřeného signálu. V aplikacích, kde je vyžadována vyšší přesnost, resp. při měření vysokofrekvenčních signálů je nutné respektovat doporučení, které říká, že frekvence signálu nebude překračovat třetinu šířky pásma.

- 46 -

Elektronické systémy vozidel jsou dnes již protkány vodiči, které nenesou v analogové podobě informaci o veličině, ale zprostředkovávají ji v digitální podobě. Tvar takového signálu už není podobný představám o harmonickém signálu, nejčastěji v podobě sinusoidy. Digitální informace je přenášena v binární formě – vykreslena v hodnotách nul a jedniček. Z těchto logických stavů také vyplývá tvar digitálního signálu – pravoúhlý, resp. obdélníkový. Bez nutnosti znalosti složité teorie signálu si lze snadno představit, že hrana signálu neroste po křivce, ale měla by být svislá. Tohoto stavu samozřejmě dosáhnout nelze, jelikož i tento signál podléhá neúprosné

časové ose. Svislice se tedy změní na úsečku skloněnou pod určitým úhlem, přičemž se měří doba náběhu mezi 10% a 90% amplitudy signálu. Empiricky lze dobu náběhu stanovit ze vztahu: trise = 0,35 / šířka pásma Doba náběhu je závislá na výrobní technologii polovodičů konverze signálu. V technické dokumentaci je většinou uvedena ve zkratce technologie. Pro představu TTL technologie je schopna času náběhu až 2ns, CMOS technologie posouvá dobu náběhu k 1,5 ns. Analyzátory signálu mají větší šířku pásma – až 8GHz, což odpovídá době náběhu cca 40 ps. Vhodnost použití digitálního osciloskopu nezáleží výhradně jen na šířce pásma. Neméně důležitým parametrem je rychlost vzorkování (ang. sample rate). V praxi není neobvyklé, že pro konkrétní měření má osciloskop vhodnou šířku pásma, ale vzorkování, resp. rychlost vzorkování je nepoužitelné. Pozor na záměnu pojmů šířky pásma a rychlosti vzorkování, zatímco šířka pásma udává nejvyšší frekvenci sinusového průběhu signálu s výše uvedenými podmínkami, rychlost vzorkování je určena převodem mezi analogovou a digitální podobou signálu. Mezi šířkou pásma a rychlosti vzorkování není přímý vztah! Existuje ovšem nepsané pravidlo, které udává:


reálná hodnota rychlosti vzorkování = 3x až 4x šířka pásma

- 47 -

Vzorkování signálu podléhá rozsáhlým matematickým operacím, ale všechny mají původ v Nyquist-Shannonově pravidlu: „Přesná rekonstrukce spojitého, frekvenčně omezeného, signálu z jeho vzorků je možná tehdy, pokud byl vzorkován frekvencí alespoň dvakrát vyšší než je maximální frekvence rekonstruovaného signálu.“ Na obr. 25 je zobrazen stav, kdy je skutečný signál (zelený, zelené body vyznačují správné vzorkování) podvzorkován, tedy nesplňuje Nyquist-Shannonův teorém, a zrekonstruovaný průběh (červený, červenozelené terčíky značí chybné vzorkování) má jinou periodu.

Obr. 25 Podvzorkování signálu – nesplnění podmínky Nyquist-Shannonova pravidla (vznik aliasingu).

Rychlost vzorkování je u paměťových digitálních osciloskopů vždy vyjadřována v jednotkách S/s, která znamená vzorků za sekundu (z angl. samples per second). Zásadně by neměla být udávána v Hz, neboť pak nelze odlišit vzorkování od šířky pásma, byť se vzorkování provádí vzorkovací frekvencí s jednotkou Hz. Jak již bylo naznačeno výše, digitální zpracování signálu přináší některé matematické nástroje, jak zkvalitnit výsledek měření. To se například promítá ve dvojím způsobu vzorkování: •

reálné vzorkování, resp. vzorkování v reálném čase,

•

ekvivalentní vzorkování, nebo vzorkování v ekvivalentním čase.

- 48 -

Reálné vzorkování zobrazí celý průběh křivky signálu při jednom průchodu, tzv. single shot. Lze říci, že reálné vzorkování je „pravé“ a nutně se užívá při měření neperiodických signálů. Naproti tomu ekvivalentní vzorkování je opodstatněné v případech, kdy rychlost převodníku nestačí pro rekonstrukci signálu. Podmínkou je, aby se jednalo o signál periodický. Triggerování je přepnuto na násobné spouštění. pracuje v definovaných cyklech a na základě uložených hodnot rekonstruuje průběh měřeného signálu, přičemž mezi body, kde chybí vzorek, se používá interpolace. Prokládání mezi body je z důvodu rychlosti omezeno na dva typy interpolačních algoritmů: •

lineární interpolace

•

interpolace po sinusoidě.

Výhody či nevýhody obou vzorkovacích módů lze hodnotit pouze na základě konkrétní měřicí aplikace. Reálné vzorkování má sice menší počet vzorků, ovšem zase nevznikají chyby v důsledku poškození signálu nevhodným typem interpolace. Výrobce by měl udávat obě hodnoty vzorkování, reálné i ekvivalentní, tedy například by mělo být uvedeno, že reálné vzorkování činí 100 MS/s a ekvivalentní 2 GS/s. Věrnost převzorkovaného signálu s originálem je dána schopností rozlišení A/D převodníků v osciloskopech. Jak již bylo vysvětleno v kapitole 1.5, úměrně s rostoucím rozlišením klesá rychlost vzorkování. Pro méně náročné nebo naopak velmi rychlé děje je rozlišení 8, maximálně 10 bitů. Pokud je nutné sledovat velmi malé amplitudy signálu, pak je namístě použití osciloskopu s rozlišením 16bitů při zachování poměrně vysoké rychlosti vzorkování. Velmi přesné osciloskopy mají integrovány A/D převodníky s rozlišením 24bitů, případně jsou uzpůsobeny tak, že lze rozlišení měnit a současně dochází ke změně maximální vzorkovací frekvence.

- 49 -

Paměťová schopnost osciloskopů je výrazným pomocníkem v případech, kdy je nutno měřený objekt uvést do provozního stavu. Tento způsob je téměř vždy nutný v diagnostice motorových vozidel, resp. jako elektrických či elektronických částí. Limitujícím faktorem množství uložených vzorků je vnitřní paměť osciloskopu. Diagnostické osciloskopy mají oproti průmyslovým značnou výhodu v koncepci ovládacího software. Jejich konstrukce vychází z principu přenosného počítače, takže používají k ukládání průběhů signálů totožných mechanismů. Data jsou ukládána na pevný disk nebo na statické paměti, které mohou být výměnné (flash). Také ovládání osciloskopu je uzpůsobeno práci v diagnostickém procesu. Omezuje se tak vznik fatálních chyb, které jsou způsobeny neznalostí problematiky měřené veličiny. Výrobci osciloskopů se leckdy předhánějí v rychlosti vzorkování – viz řády GS/s, které ve standardní diagnostice automobilových systémů nemají opodstatnění. Při této rychlosti vzorkování razantně stoupá potřeba paměťové kapacity a nároky na propustnost sběrnice uvnitř měřicího přístroje. [1]

5.1 Měření pomocí osciloskopu Osciloskopická měření jsou jednou z nejsložitějších úloh v diagnostice motorových vozidel. Zvládnutí této disciplíny je pro hledání závad v systémech vozidel stěžejní. Pokud má být k hledání závady použit osciloskop, je nezbytná jistá míra racionality v souladu se znalostmi. Při měření osciloskopem je sice hlavním nástrojem osciloskop, o jehož vlastnostech již bylo psáno, ale měřicí řetězec tvoří další části, které mohou proces měření výrazně ovlivnit. Stejně jako při měření multimetrem je třeba zajistit kontakt mezi měřeným obvodem a přístrojem. U osciloskopů nelze měřit obvyklými hroty, k tomuto účelu slouží osciloskopické sondy. Jelikož běžná osciloskopická měření u vozidel vyžaduje řády kS/s, případně desítky kS/s (vyjma měření digitálních sběrnicí, kde je nutné měřit až MS/s), je „bohužel“ praxí měřit čímkoliv, co zajistí relativně dobrý elektrický kontakt. Správně by však každé aplikaci měření osciloskopem měla náležet osciloskopická sonda. Začátek měření však nastává ještě před vlastním přiložením sondy k obvodu, jehož signál má být vyhodnocován. Počátkem měření je již nastavení osciloskopu, nastavení vertikální osy a časové základny. Základní nastavení osciloskopu by mělo být: - 50 -

•

nastavení osciloskopu na zobrazení 1. kanálu,

•

nastavení vertikálního osy (V/dílek) a ustavení voličů offsetu (posunutí oproti základně) na střed obrazovky,

•

vypnutí proměnného zobrazení dílku vertikální osy,

•

vypnutí zvětšení signálu a jeho úprav (filtrace),

•

nastavení vstupu na stejnosměrné napětí,

•

nastavení triggeru na mód AUTO,

•

nastavení triggeru na 1. kanál,

•

vypnutí zvláštních funkcí triggeru (holdoff apod.),

•

nastavení jasu obrazovky na nominální úroveň a úprava zostření obrazovky,

•

nastavení časové báze na střed obrazovky.

V případě, že je potřeba měřit přímo na elektronickém obvodu, pak je nutné provést ukostření nejen osciloskopu a měřeného prvku, ale také sebe. Pokud k tomu nedojde hrozí zničení součástky elektrostatickým výbojem (viz obr. 26).

Obr. 26 Ukostřovací pásek k eliminaci poškození integrovaných obvodů při osciloskopických měřeních.

Pokud má signál střídavý charakter průběhu, je časté, že nese i stejnosměrnou složku, kterou je třeba oddělit a sledovat pouze zvlnění. Přepnutím na střídavý signál se před vlastní vstup pro finální zpracování signálu připojí sériově kondenzátor, který stejnosměrnou složku oddělí.

- 51 -

Konektor připojení je běžně realizován typem BNC (bajonetový typ konektoru). Nad přípojným místem je vždy vyznačeno: •

maximální vstupní napětí (řádově desítky, max. stovky voltů), osciloskop je sice částečně chráněn proti přepětí, ale ochrana je velmi omezená,

•

vstupní odpor (typicky 1MΩ)

•

paralelní kapacita (typicky 20 až 50 pF)

Určitá část měření se nespokojí pouze s maximální hodnotou vstupního napětí na konektoru osciloskopu, je třeba měřit řádově stovky až tisíce voltů. V takovém případě je třeba použít měřicí sondu, která napětí sníží na možnou úroveň. Osciloskopické sondy jsou v zásadě dvojího provedení: •

Pasivní sondy

•

Aktivní sondy (zvl. typem jsou sondy diferenční)

Pasivní sonda je v podstatě dělič napětí. Snížení napětí se ustálilo na dvou hodnotách 10x a 100x (vyšší zeslabení není v praxi obvyklé). Při vstupním odporu vertikálního zesilovače 1 MΩ je tedy k požadované hodnotě zeslabení přiřazen sériově rezistor 9MΩ, aby bylo dosaženo desetinásobného zeslabení. Pozor ovšem na omyl, který pramení z označení zeslabení sondy. V případě, že maximální vstupní napětí, které možno přímo přivést na konektor osciloskopu je kupříkladu 400V a sonda nese označení 10x. Pak to neznamená, že sonda snese napětí 4kV, hrozí zničení nejen sondy, ale je ohrožena i obsluha. Maximální napětí, která je sonda schopna snížit je vždy uvedena v její specifikaci. Pasivní sondy jsou levné a dostatečné pro většinu měření, ovšem pokud je očekáván signál s velmi nízkou dobou náběhu, je nutné na osciloskop připojit aktivní sondu. Její konstrukce je odlišná. Na první pohled je rozeznatelná silnějším vodičem, protože mimo signálního vodiče je do sondy přivedeno i napájení. Potřeba napájení je z důvodů integrovaných obvodů v sondě – většinou řešených jako polem řízenými tranzistory. Výhoda aktivní sondy je ve velkém vstupním odporu sondy bez parazitních kapacitních ztrát, které by mohly zatížit zdroj signálu a změnit celkový průběh signálu. Pro účely logických analyzátorů existují i logické sondy, které interně zpracovávají logické úrovně.

- 52 -

Vysokonapěťové systémy vozidel, zejména měření sekundárního okruhu zapalování, lze sledovat i pomocí nepřímých měření. Z mnoha důvodů není možné provést přímé připojení sondy na cívku či transformátor, proto se na dostupné místo – nejčastěji na vysokonapěťový zapalovací kabel(y) připojí klip, který na základě změn kapacitních vlastností (kapacitní vazba) generuje napětí, které průběhem odpovídá napětí sekundárního okruhu.

Obr. 27 Osciloskopické sondy, vpravo sonda pro měření sekundárního okruhu zapalování.

Nezbytná součást přípravy měření, ačkoliv není v některých případech nutná, je kompenzace sondy. Pro tyto účely je osciloskop vybaven generátorem obdélníkového signálu, na který se sonda připojí. Na tělese sondy se nachází otočný prvek (šroubek, trimr apod.), kterým se sonda kompenzuje. Vlastní kompenzace znamená (obr. 1.10.10), že se upravují parametry vnitřního LC článku (prvky s indukčnostním a kapacitním charakterem).

Obr. 28 Kompenzace sondy – vlevo negativně nekompenzovaná, správně kompenzovaná, pozitivně nekompenzovaná.

Využití osciloskopu v diagnostických postupech s náležejícími oscilogramy bude diskutováno v příslušných kapitolách dále.

- 53 -

6. NÁVRH

MĚŘICÍHO

SYSTÉMU

PRO

VÁLCOVÝ

DYNAMOMETR Navrhovaný systém měření představuje distribuovaný model měřicího řetězce. Takto koncipovaný systém má ovšem mimo dále popsané výhody i určitá úskalí. V prvé řadě je třeba sjednotit měřicí řetězec na jednu výpočetní bázi, která bude pracovat v reálném

čase a bude napájena jedním zdrojem elektrické energie tak, aby systém nevykazoval chyby z důvodu odlišného průběhu stejnosměrného napětí. Základní požadavky a měřicí systém jsou: •

otevřený systém modulární koncepce s jednoduchým vývojovým prostředím,

•

snadná konfigurace,

•

autonomní sběr dat,

•

možnost částečné analýzy přímo v systému,

Výše zmíněné požadavky kladou obecné nároky na koncept, avšak stejně důležité jsou i pracovní podmínky, kterým bude systém vystaven. Rozsah pracovních teplot se běžně pohybuje od -15°C do 50°C. Mnohem vyšší nároky však kladou provozní vibrace v kabině traktoru. Z důvodu značně snížené životnosti nemohou být jako záznamová média použita standardní řešení, např. pevné disky. Koncept polního měření vychází ze zkušeností nabitých jak v předchozích terénních měřeních, tak i z poznatků, které přinesly zkoušky na válcovém dynamometru. Navíc je v potaz bráno hledisko kompatibility hw a zejména sw řešení mezi novým systémem a stávajícími technickými prostředky na vozidlové zkušebně. Významný parametr pro proces rozhodování o vytvoření nové platformy byla hluboká integrace produktů společnosti National Instruments ve všech brzdových stanovištích – pro osobní automobily, nákladní vozy, autobusy až po traktory. Uvedené nároky beze zbytku splňuje systém na bázi CompactRia, který je jeden z nejrychlejších dostupných průmyslových systémů regulace s časem cyklu 25 ns. Systém zahrnuje (viz obrázek 2):

- 54 -

•

Šasi s FPGA polem (3M), které lze osadit osmi moduly libovolné konfigurace,

od analogových vstupů, pře bidirekcionální digitální linky či účelové převodníky pro tenzometry, RTD, termočlánky, akcelerometry aj. po reléové moduly a moduly sběrnice CAN. Navíc otevřený systém umožňuje podporu třetích stran, které mohou při zachování kompatibility vyvíjet další moduly – např. společnost Driven se specializuje na moduly řízení spalovacích motorů. Šasi je konstruováno s ohledem na extrémní podmínky, snese teploty od -40°C do 70°C a odolává vibracím až do 50g (parametry: 3 ms, 3 osy, tvar poloviny sinusoidy). Vzhledem k umístění bylo nutné dřívější systém chránit proti účinkům statické elektřiny, cRIO je interně chráněno až do 2 300V. •

Real-time kontrolér je mozkem celé sestavy. Vnitřní architekturu tvoří

průmyslový mikroprocesor taktovaný na 200 MHz, který využívá 64MB DRAM, přičemž externí paměť pro ukládání dat či výsledků je typu CompactFlash s kapacitou 512MB, která lze rozšířit na 2GB. Pro ilustraci lze dodat, že real-time kontrolér spotřebuje pouze 7W (s šasi cca 17W). Tato hodnota není pouze měřítkem výdrže systému při napájení z akumulátorů, ale ukazuje míru efektivity vzhledem k produkovanému teplu, které může být u standardních měřicích ústředen zdrojem nestability. Komunikační rozhraní je tvořeno standardním Ethernetem 10baseT / 100baseTx a dále lze připojit na kontrolér sériovou linku RS 232. Standardně je kontrolér vybaven několika typy interních serverů. K zobrazení analýz je vhodný http server, pro konfigurace a jako úložiště dat slouží FTP server. Rozšíření rozhraní VISA umožňuje vzdálenou správu systému z jiných prostředků NI. •

Modul analogových vstupů je univerzálním modulem pro snímání signálů ze

snímačů traktoru či nářadí. Počet kanálů modulu je 32 v single ended zapojení (16 diferenčních vstupů). Rychlost vzorkování dosahuje až 250 kS/s při 16 bitovém rozlišení. Vstupní rozsahy lze interní děličkou nastavit od ±200 mV, ±1 V, ±5V až po ±10V. Konektivita je provedena Canon 37 nebo pérovými

svorkami.

- 55 -

•

CAN-Bus modul reprezentuje systém sběru dat z palubní sítě traktoru.

Současné traktory téměř výhradně používají protokoly s komunikační rychlostí 250 kbps. Modul umožňuje snímat data s rychlostí 1Mbits, a to nezávisle na dvou portech, případně jeden port může číst a druhý zapisovat. Mimo obvyklé standardy lze definovat vlastní uživatelské konfigurace a modul si také poradí s datovými oblastmi většími než je 64 bitů. •

Modul digitálních vstupů/výstupů má úlohu v některých aplikacích jako čítače,

např. pulzy z otáčení kol pro stanovení prokluzu nebo mohou linky sloužit jako stavové indikátory – eventy, alerty, alarmy atd.

Obr. 29 Systém měření na bázi CompactRio.

Filosofie systému je motivována nejen zkvalitněním procesu měření, ale také je brán v potaz uživatelský komfort. Data budou ukládána na paměťovou kartu Compact Flash a po ukončení měření, opět žádostí z nadřazeného PC systému, se přenesou do serverového clusteru. Alternativně lze data posílat on-line, ale tato možnost je spjata s dostatečně kvalitním příjmem a také ne příliš vysokým datovým objemem. V původním systému měření byla frekvence vzorkování omezena schopností zpracování ze systému MS DOS. Ostatní data byla na tuto frekvenci buď zprůměrňována, nebo interpolována. Nový koncept bude užívat specifický formát, který bude schopen ukládat každý kanál s vlastní vzorkovací frekvencí. Formát je schopen oddělit hlavičku (název kanálu, jednotky, přenosové a transformační funkce) a data, která budou ukládána v binární podobě. Takto lze zaručit, že je systém bude ukládat s vysokou efektivitou a rychlost smyček nebude zpomalována manipulací s daty - 56 -

6.1 Integrace externího měření do stávajícího zařízení válcového dynamometru Jak bylo popsáno výše, systém CompactRio vychází z přenosu dat po fyzické vrstvě – ethernet. V případě navrhovaného měření bude nutné vycházet z dosavadních služeb serveru. Tedy se jedná o připojení, kde softwarová podoba protokolu bude svěřena nativnímu produktu DataSocket. Ten je v podstatě nástavbou na protokol TCP/IP. Komunikační rychlost bude 100 MBits (full Duplex). Propojení se zkušebnou je patrné na obr. 30.

Obr. 30 Schéma zapojení válcové zkušebny.

- 57 -

6.2 Integrace měření rychlých dějů osciloskopem V případě velmi rychlých dějů, které při měření nutno zaznamenávat nelze stávající systém pro tento účel přizpůsobit. Varianta decimace hodnot je v tomto případě nevhodná, neboť dochází k podvzorkování signálů a je tedy porušena informační veličina. Neexistuje kompromisní řešení a jediný možný koncept z mého pohledu je zcela opačný. Digitální signál, který bude výstupem ze zkušebny bude triggerem pro osciloskop, avšak vlastní měření musí být zaznamenáváno mimo server zkušebny. Toto opatření má charakter bezpečnostní, neboť datový tok (stream) by mohl zpomalit určité měřicí smyčky a došlo by labilnímu chování řídicího systému parametrizace zkoušek. Pro takto navržený systém by bylo vhodné použít některý z typů souborů, který umožňuje individuální nastavení kanálů, zejména v parametru vzorkování.

- 58 -

7. ZÁVĚR V rámci bakalářské práce jsou popsány typy, druhy a funkční principy jednotlivých měřicích zařízení a snímačů. Velké část práce je věnována teorii osciloskopu, praktickému využití a možné integraci v systému dynamometru. Dále byl vytvořen systém měření analogových a digitálních signálů. Model je distribuovaný, výhody tohoto systém měření jsou autonomní sběr dat, snadná konfigurace a možnosti částečné analýzy přímo v systému. V současné době se tento navržený systém zkouší na vozidlovém dynamometru Mendelovy univerzity v Brně.

- 59 -

8. LITERATURA [1] ČUPERA, J.; ŠTĚRBA, P. Automobily 7 : Diagnostika motorových vozidel I. Brno : AVID SPOL. S R.O., 2007. 195 s. ISBN 9788090367197. [2] ČUPERA, J.; BAUER, F.; ŠMERDA, T. Systém polního měření parametrů traktorů In Technika v zemědělství a potravinářství ve třetím tisítiletí. BRNO: MZLU BRNO, 2007, s. 70--74. ISBN 978-80-7375-054-1. [3] ČUPERA, J.; BAUER, F.; SEDLÁK P.; ŠMERDA, T.

Systém terénního

měření s využitím signálu GPS a CAN-BUS. In Nové trendy v konštrukciia exploatácii vozidiel "VOZIDLÁ 2007". Nitra: SPU Nitra, 2007, s. 13--17. ISBN 978-80-8069-942-0. [4] VLK, František. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel. Brno : František Vlk, 2005. 576 s. ISBN 8023937170. [5] National Instruments Corporation. National Instruments [online]. c2010 [cit. 2010-04-28]. Dostupné z WWW: . [6] ČUPERA, J. Vozidlová zkušebna [online]. c2003 [cit. 2010-04-28]. Dostupné z WWW: . [7] Bosch - Startseite Bosch.de [online]. c2010 [cit. 2010-04-28]. Dostupné z WWW: .

- 60 -

9. SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Snímač polohy škrtící klapky- potenciometr......................................................... 9 Obr. 2 Snímač zrychlení – piezoelektrický (snímání klepání motoru) ............................. 9 Obr. 3 MAF – snímač hmotnosti nasávaného vzduchu .................................................... 9 Obr. 4 Snímač přítomnosti kyslíku ve výfukových plynech- Lambdasonda.................. 10 Obr. 5 Blokové schéma snímače..................................................................................... 11 Obr. 6 Vývoj snímačů a jejich výstupů pro měřicí aplikaci. .......................................... 12 Obr. 8 Základní charakteristika přístroje. ....................................................................... 15 Obr. 9 Hysterezní smyčka............................................................................................... 15 Obr. 10 Schopnosti filtrace původního signálu pomocí Butterworthova filtru. ............. 17 Obr. 11 Průběh konverze signálu z analogové do digitální podoby. .............................. 22 Obr. 12 Schéma obecného měřicího řetězce................................................................... 26 Obr. 13 Pravidla zapojení přístrojů při měření napětí, proudu a elektrického odporu. .. 32 Obr. 14 Analogový voltmetr s magnetoelektrickým ústrojím. ....................................... 33 Obr. 15 Digitální multimetr. ........................................................................................... 35 Obr. 16 Měření napětí akumulátoru digitálním multimetrem a měření proudu klešťovým ampérmetrem. ............................................................................................... 36 Obr. 17 Měření kapacity kondenzátoru na digitálním multimetru. ................................ 37 Obr. 18 Zkoušení diody pomocí digitálního multimetru. ............................................... 38 Obr. 19 Zkoušení tranzistoru, resp. měření zesilovacího činitele tranzistoru digitálním.39 Obr. 20 Znázornění principu činnosti obrazovky a první provedení katodové trubice. . 41 Obr. 21 Interpretace signálu v prostorovém zobrazení za pomoci Z vstupu. ................. 42 Obr. 22 Analogový osciloskop a blokové schéma prvků osciloskopu ........................... 44 Obr. 23 Digitální a analogový osciloskop. ..................................................................... 45 Obr. 24 Analyzátor signálu (Tektronix). ........................................................................ 46 Obr. 25 Podvzorkování signálu – nesplnění podmínky Nyquist-Shannonova pravidla (vznik aliasingu). ............................................................................................................ 48 Obr. 26 Ukostřovací pásek k eliminaci poškození integrovaných obvodů při osciloskopických měřeních............................................................................................. 51 Obr. 27 Osciloskopické sondy, vpravo sonda pro měření sekundárního okruhu zapalování. ...................................................................................................................... 53 Obr. 28 Kompenzace sondy – vlevo negativně nekompenzovaná, správně kompenzovaná, pozitivně nekompenzovaná. ................................................................. 53 Obr. 29 Systém měření na bázi CompactRio.................................................................. 56 Obr. 30 Schéma zapojení válcové zkušebny. ................................................................. 57

- 61 -