Multipurpose Optoelectronic Sensor for Combustion Engines Diagnostics

 

Josef Pošta - Luboš Nevyhoštěný - Boleslav Kadleček

 

Modern diagnostics must meet a wide range of requirements, such as speed of operation, zero or the least possible dismantling of the diagnosed object, high accuracy and reproducibility of measuring results, occasional ON-LINE operating mode, and possibility of multipurpose application. Therefore, continuous attention is paid to diagnostic methods, measuring and evaluating instruments, software and sensors of measured values. We are describing the selection of a suitable sensor and our experience with a multipurpose optoelectronic sensor for direct computer data input.

 

Diagnostics, Optoelectronic Sensor, Diagnostic Signal

 

Introduction

For the purpose of the overall assessment of the technical condition of a combustion engine, a great number of diagnostic signals can be scanned and evaluated. The following parameters mostly act as diagnostic signals:

 

Definitely, the development in the field of technical diagnostics aims at non-dismantling methods. The power of an engine is used as one of the most important diagnostic signals for the overall diagnostics of combustion engines. The power of an engine can be measured by means of accelerating method (non-dismantling method), i.e. measuring of angular acceleration of the engine for known moment of inertia of accelerated mass. Angular acceleration is usually calculated from the sequence of timing pulses that describe the changes of the crankshaft position (angular displacement). The sensors scan the mentioned sequence.

For the development and training in the field of diagnostics, a multipurpose device is advantageous. It can be formed e.g. by suitable sensors and a computer. In this contribution we are dealing with sensors.

Requirements on Sensors

Regarding the needs of the a/m diagnostics, it is important to scan, beside other diagnostic signals, the time signals. By means of time signals the revolutions are calculated, as well as the angular speeds and angular acceleration. Furthermore, turning moment and power of the engine, dependent on revolutions, is calculated.

From the above mentioned, the first requirement of using a sensor with an output signal in the pulse form results. Because the sensor is connected directly to a computer circuit, the signal must have a standardized voltage of TTL level and impulse edges must be as steep as possible.

Furthermore, it is desirable to scan the revolutions as accurately as possible and in such a method that pulse edges are minimally loaded by time errors occurring due to the sensor’s delay.

This would cause distortion of pulse duration, and of the following distortions of the acceleration calculations. Therefore, the inductance sensor, the optical sensors with beam modulation, and the capacitance sensors were rejected when selecting the method of work. Neither the methods utilizing the change of pulse forms (e.g. from an inductive sensor) dependant on the frequency of switching, are suitable. The reason is that the threshold level of the comparator is thus shifted to other areas of the waveform from the sensing element and therefore the phase delay of the sensor is changed.

A relatively wide range of measured revolutions is also required.

Suitable Type and Parameters of the Sensor

Considering the above mentioned requirements, these following sensors can be taken into account:

In case of a magnetic sensor, however, it is difficult to define the turn-on position. Therefore, it is necessary to put a permanent magnet, or a magnetic orifice, on the rotating part. On the other hand, the optical sensor may be provided only with an orifice, which exactly defines the turn-on position. Due to these mentioned reasons, an optical sensor with a continuous stream of beam was selected. Because such type of a sensor was not available in the market in a suitable design, with required ranges of measurements, other parameters, and price, the sensor was designed and manufactured.

Layout of a Sensor

Due to maximum possible suppression of the influence of the surrounding lighting, infrared spectrum was selected, together with the transmission type arrangement (i.e. the optoelectronic converters located opposite each other). IR LED type IRS 5 was selected as a transmitter, IR phototransistor type IRE 5 was selected as a receiver. Both parts are used in remote controllers, working on wavelength 940 nm. Their case is equipped with a lens, the chip is set in such a way that the beam of light aims in the direction of the case axis in a cone with vertical angle about 15°, Fig. 1-1,3. In case of the transmission arrangement, the so called active beam of light of cylindrical shape arises (hereafter beam), Fig. 1-2.

Having gained a positive experience with the designed sensor, an electrically congruent sensor in the reflective arrangement, Fig. 2, was manufactured.

 

 

 

Fig. 1 Transmission Sensor Arrangement Fig. 2 Reflective Sensor Arrangement

Construction and Operation of the Sensor

The figure 3 represents a sensor scheme. LED1 is connected through the current-limiting resistor R1 to the supply voltage. LED1 therefore transmits a continual beam. The collector of the phototransistor FT1 is connected to the supply voltage and the emitter through the working resistor R2 to the ground. The FT1 emitter voltage is proportional to the lighting magnitude.

If the edge of the scanned part interferes with the optical path and gradually shades it, the voltage on the emitter FT1 is decreasing, and vice versa, Fig. 4.a.

 

 

Fig.3. Scheme of Sensor Circuit

 

Fig.4. Voltage Waveform of the Sensor Circuit

a) Voltage Waveform of the Emitter FT1

b) Voltage Waveform of the Sensor Output

 

For the purpose of the pulse scanning, only two states can be defined. The optical path is, or is not, discontinued. Therefore, it is necessary to put a comparator past the phototransistor. The comparator, at certain input level, step changes the output state. Furthermore, it is important to set up the signal to the TTL levels and amplify it.

The integrated circuit NE 555 was selected, which is able to meet all these requirements with minimum numbers of the external parts. The chip NE 555 contains a couple of comparators, R-S flip-flop and output power stage. The output level TTL was reached with the supply voltage 5V. The integrated circuit is connected in the sensor as a comparator with decisive level 1/2 of supply voltage and the hysteresis of 1/3 of supply voltage (IO1).

In the given wiring, the operation of IO1 is as follows, Fig.3: If a beam aiming at FT1 is shaded with the sensing disc SK, the resistance is high and the emitter voltage is, due to R2, close to 0V. The output voltage IO1 is close to supply voltage UN, Fig.4 b. This state was selected as idle, because in this state the computer input is more resistant to interference. Provided FT1 gets unshaded, the voltage on the emitter is increasing and when exceeding the 2/3 of UN, the output voltage IO1 step changes to 0V. With shading the optical path, the voltage on the emitter is decreasing, and if it falls below 1/3 of UN, the output IO1 step changes back to idle state, Fig.4.b.

The capacitor C1 locks internal reference voltage source IO1 against infiltration of disturbing induced currents. Capacitor C2 compensates the switching losses of the output stage IO1 and other pulse disturbing effects.

Checking LED2, indicating the output state, is connected at the output. By means of this LED2 the sensor is set and its operation is checked (e.g. if the optical path was not contaminated). In order to reach the minimum distortion of the output signal by the control light, a low-power LED with the working current 2mA was selected. The resistor R3 reduces the current going through LED2.

The sensor is supplied from stabilized power source 5V/1A. Coaxial cable connects the sensor with the computer.

Experience With Our Proposed Sensor

The described sensor in the transmission arrangement was fixed on a firm holder. Several hundred measurements were done during both the testing mode and normal use mode. Achieved experience can be summarized as follows:

As the transmission arrangement of the sensor is not always suitable for the needs of non-dismantling diagnostics, an electrically congruent sensor in reflexive setting was manufactured. During the tests, and during regular use, it performed as successfully as the transmission sensor.

Conclusion

The proposed optoelectronic sensor in both designs, transmission and reflexive, proved competent for contactless measurement of the revolutions, angular speeds and angular acceleration of combustion engines. The design utilizes common, mass produced electronic components. The sensor can be easily readjusted to a particular purpose. The sensor represents a multipurpose, reliable and resistant solution.

References

NEVYHOŠTĚNÝ, L.: Snímače diagnostických signálů spalovacích motorů. [Diplomová práce], TF ČZU, Praha, 1998, 63 s.

POŠTA, J. - PAVLÍČEK, R.: Počítačová diagnostika rychlých periodických dějů. /Závěrečná zpráva grant. projektu FRVŠ, č.p. 0118/98/, TF, ČZU, Praha, 1998, 12 s.

Souhrn

Moderní diagnostika musí splnit řadu požadavků mezi něž patří rychlost provedení, žádná nebo co nejmenší demontáž diagnostikovaného objektu, vysoká přesnost a reprodukovatelnost výsledků měření, někdy režim práce ON-LINE nebo možnost univerzálního použití. Proto je věnována neustálá pozornost diagnostickým metodám, měřicím a vyhodnocovacím přístrojům, software i snímačům měřených veličin. V příspěvku je popsán výběr vhodného snímače a zkušenosti s universálním optoelektronickým snímačem pro přímý vstup dat do počítače.

 

diagnostika, optoelektronický snímač, diagnostický signál

 

Univerzální optoelektronický snímač pro diagnostiku spalovacích motorů

 

Josef Pošta – Luboš Nevyhoštěný – Boleslav Kadleček

 

Moderní diagnostika musí splnit řadu požadavků mezi něž patří rychlost provedení, žádná nebo co nejmenší demontáž diagnostikovaného objektu, vysoká přesnost a reprodukovatelnost výsledků měření, někdy režim práce ON-LINE nebo možnost univerzálního použití. Proto je věnována neustálá pozornost diagnostickým metodám, měřicím a vyhodnocovacím přístrojům, software i snímačům měřených veličin. V příspěvku je popsán výběr vhodného snímače a zkušenosti s universálním optoelektronickým snímačem pro přímý vstup dat do počítače.

 

diagnostika, optoelektronický snímač, diagnostický signál

 

 

Úvod

Pro souhrnné stanovení technického stavu spalovacího motoru je možné snímat a vyhodnocovat celou řadu diagnostických signálů. Jako diagnostické signály zpravidla slouží hodnoty některé z těchto fyzikálních veličin:

 

Vývoj v oboru technické diagnostiky směřuje jednoznačně k bezdemontážním metodám. Pro souhrnnou diagnostiku spalovacích motorů se jako jeden z nejdůležitějších diagnostických signálů užívá výkon motoru. Ten lze bezdemontážně měřit akcelerační metodou, tj. měřením úhlového zrychlení motoru při známém momentu setrvačnosti urychlovaných hmot. Úhlové zrychlení se obvykle vypočítává z posloupnosti časových impulsů, které popisují změnu polohy (pootočení) klikového hřídele. Úkolem snímače je sejmout tuto posloupnost.

Pro vývoj i školení v oboru diagnostiky je výhodné universální zařízení, tvořené například vhodnými snímači a počítačem. V tomto příspěvku je věnována pozornost snímačům.

Požadavky na snímače

Pro potřeby uvažované diagnostiky je třeba snímat kromě jiných diagnostických signálů také časové signály, z nichž se programově stanovují otáčky, úhlové rychlosti a úhlové zrychlení, z něj pak točivý moment a výkon v závislosti na otáčkách.

Z toho vyplývá první požadavek: Je nutné použít snímač s výstupním signálem v impulsní podobě. Protože se snímač připojuje přímo k obvodům počítače, musí mít signál normalizované napěťové úrovně TTL a hrany impulsů musí být co nejstrmější.

Dále je žádoucí snímat otáčky co možno nejpřesněji a tak, aby hrany impulsů byly co nejméně zatíženy časovými chybami vlivem zpoždění snímače. To by způsobilo zkreslení údaje o délce trvání jednotlivých impulsů a tím by další výpočty zrychlení byly zkreslené. Proto byly při výběru principu zamítnuty snímače indukčnostní, optické s modulací paprsku a kapacitní. Není vhodné použít ani principy, kde se mění s frekvencí spínání tvar impulsů z čidla snímače (např. indukční), protože se tím posouvá rozhodovací úroveň komparátoru do jiné oblasti průběhu signálu z čidla a tím se mění fázové zpoždění snímače.

Požadován byl též poměrně široký rozsah měřených otáček

Vhodný typ a parametry snímače

Vzhledem k uvedeným požadavkům přicházejí v úvahu tyto snímače :

U magnetických snímačů je však obtížné určit polohu sepnutí a je nutné na rotační součást umístit permanentní magnet nebo magnetickou clonu. Optický snímač oproti tomu vystačí pouze s otvorem na součásti, kterým je poloha sepnutí jednoznačně a přesně dána. Proto byl zvolen optický snímač se spojitým tokem paprsku. Protože uvedený typ snímače nebyl na trhu k dispozici ve vhodném provedení, s požadovanými rozsahy, dalšími parametry a cenou, byl snímač navržen a vyroben.

Návrh snímače

Z důvodů maximálního možného potlačení vlivu okolního osvětlení bylo zvoleno infračervené spektrum a transmisní konstrukční uspořádání (umístění optoelektronických měničů proti sobě). Jako vysílač byla vybrána IR LED typu IRS 5 a jako přijímač IR fototranzistor typu IRE 5. Oba se používají v dálkových ovládáních a pracují na vlnové délce 940 nm. Jejich pouzdro je opatřeno čočkou a čip je umístěn tak, že svazek světelných paprsků je směrován v ose pouzdra v kuželu s vrcholovým úhlem asi 15° , obr.1. Při jejich transmisním uspořádání vzniká tzv. aktivní svazek světelných paprsků (dále jen paprsek) válcového tvaru, obr.1.

Po dobrých zkušenostech s navrženým snímačem byl vyroben snímač elektricky shodný v reflexním uspořádání, obr. 2.

Obr. 1 Transmisní uspořádání snímače

Obrázek chybí

Obr.2 Reflexní uspořádání snímače

Konstrukce a funkce snímače

Na obr. 3 je schéma snímače. LED1 je napájena přes omezovací odpor R1 a proto vysílá paprsek nepřetržitě. Kolektor fototranzistoru FT1 je připojen na napájecí napětí a emitor přes pracovní odpor R2 na zem. Na emitoru FT1 je napětí přímo úměrné velikosti osvětlení. Prochází-li optickou cestou hrana sledované součásti a postupně ji zacloňuje, napětí na emitoru FT1 klesá; při odcloňování stoupá, obr. 4a.

 

Obr. Časové průběhy napětí v obvodu snímače
a) průběh napětí na emitoru FT1
b) průběh napětí na výstupu snímače

 

Pro účely impulsního snímání mohou být definovány pouze dva stavy kdy optická cesta je nebo není přerušena. Proto je nutné zařadit za fototranzistor komparátor, který při určité úrovni vstupu změní skokem stav výstupu. Dále je třeba signál upravit na úrovně TTL a zesílit. Byl zvolen integrovaný obvod NE 555, který je schopen splnit všechny tyto funkce s minimálním počtem vnějších součástek. Jeho čip obsahuje dvojici komparátorů, klopný obvod R-S a koncový zesilovací stupeň. Výstupní úrovně TTL se docílilo volbou napájecího napětí 5V. Ve snímači je obvod zapojen jako komparátor s rozhodovací úrovní 1/2 napájecího napětí a hysterezí 1/3 napájecího napětí (IO1).

V daném zapojení pak funguje IO1 následovně, obr. . Je-li paprsek dopadající na FT1 zacloněn snímacím kotoučem SK, je jeho odpor vysoký a napětí na emitoru je díky R2 blízké nule. Výstupní napětí IO1 je blízké napájecímu napětí UN , obr. b. Tento stav byl zvolen jako klidový, protože v tomto stavu je vstup počítače odolnější proti rušení. Pokud se FT1 odcloňuje, napětí na jeho emitoru se zvyšuje a při překročení 2/3 UN výstupní napětí IO1 skokově klesne k nulové hodnotě. Při zacloňování optické cesty napětí na emitoru klesá a při poklesu pod 1/3 UN přejde výstup IO1 skokově zpět do klidového stavu, obr. 4b.

Kondenzátor C1 blokuje vnitřní zdroj referenčního napětí IO1 proti pronikání rušivých indukovaných proudů. Kondenzátor C2 vyrovnává spínací ztráty koncového stupně IO1 a jiné impulsní rušivé vlivy.

Na výstupu je zařazena kontrolní LED2, která indikuje stav výstupu. Slouží též k  seřízení snímače a ke kontrole funkce snímače (např. zda nedošlo k znečištění optické cesty). Aby docházelo k minimálnímu zkreslení výstupního signálu odběrem kontrolky byla zvolena nízkopříkonová LED s pracovním proudem pouze 2 mA. Odpor R3 omezuje proud procházející LED2.

Snímač je napájen ze stabilizovaného zdroje 5V/1A. Propojení s počítačem je provedeno stíněným kabelem.

 

Zkušenosti s navrženým snímačem

Popisovaný snímač v transmisním provedení byl trvale zabudován na tuhý držák. V režimu jeho testování i normálního používání s ním bylo provedeno několik set měření. Získané zkušenosti lze shrnout takto:

 

Protože pro potřeby bezdemontážní diagnostiky není transmisní uspořádání snímače vždy vhodné, byl vyroben elektricky shodný snímač v reflexním uspořádání. Při testech i při používání se osvědčil obdobně jako snímač transmisní.

Závěr

Navržený optoelektronický snímač v provedení transmisním i reflexním se velmi dobře osvědčil pro bezkontaktní měření otáček, úhlové rychlosti a úhlového zrychlení spalovacích motorů. Konstrukce využívá běžných, seriově vyráběných elektronických součástí. V navrženém provedení je možné snadné přizpůsobení ke konkrétnímu účelu. Jedná se o řešení universální, spolehlivé a odolné.

Literatura

NEVYHOŠTĚNÝ, L.: Snímače diagnostických signálů spalovacích motorů. [Diplomová práce], TF ČZU, Praha, 1998, 63 s.

POŠTA, J. - PAVLÍČEK, R.: Počítačová diagnostika rychlých periodických dějů. /Závěrečná zpráva grant. projektu FRVŠ, č.p. 0118/98/, TF, ČZU, Praha, 1998, 12 s.