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2.1 Il sensore di pressione C 2 Descrizione dei singoli elementi

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Academic year: 2021

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Descrizione dei singoli elementi

2.1 Il sensore di pressione

E’ un trasduttore con tensione d’alimentazione tipica 5 V interfacciato con il fuel rail. Questo sensore permette di rilevare il valore della pressione della benzina presente all’interno del rail in un range che varia secondo il ti-po di trasduttore. Nei casi più comuni sono utilizzati due differenti sensori con range variabile da 0 a 150 bar oppure da 0 a 170 bar. Nella figura se-guente è mostrato un sensore di pressione a 150 bar.

Figura 1 – Sensore di pressione 0 – 150 bar

La caratteristica ingresso-uscita del sensore è lineare per tensioni comprese tra 0.5 e 4.5 V. Nella figura 2 in blu è mostrato l’andamento del sensore a 150 bar, vedi equazione 1, mentre in rosso è rappresentato il com-portamento del sensore a 170 bar, vedi equazione 2.

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0.03 0.5

V = ⋅ +P (Equazione 1)

0.02 0.5

V = ⋅ +P (Equazione 2)

Figura 2 – Caratteristica pressione-tensione

Il principio di funzionamento su cui si basa permette di convertire un valore di pressione in un segnale elettrico che è trasferito all’unità di control-lo (centralina) tramite un cavo di collegamento. Nella centralina il segnale è elaborato per ottenere il comando da inviare al regolatore di pressione, che regola l’apertura e la chiusura del flusso di benzina verso la parte del sistema a bassa pressione (questo tipo di controllo opera sul valore di pressione). So-no presenti delle perdite d’energia dovute al lavoro necessario per pressuriz-zare la benzina in eccesso, che è rimandata a monte della pompa.

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Per evitare tutto ciò è possibile operare un controllo di flusso tra la pompa e il rail, in cui la benzina è inviata, in quantità e pressione adeguata a questo ultimo.

Le due principali tipologie di sensore sono:

1. Sensore capacitivo APT: questa implementazione opera le mi-sure della pressione tramite un condensatore in cui un’armatura è mobile ed è a contatto con il fluido in pressione. Il suo spo-stamento genera una variazione della capacità del condensatore e quindi del segnale elettrico inviato alla centralina.

2. Sensore capacitivo piezoelettrico: qui l’elemento sensibile è costituito da un diaframma metallico le cui deformazioni, che sono proporzionali alla pressione del fluido, sono convertite in segnale elettrico.

2.2 Il sensore di prossimità

E’ un trasduttore che segnala il passaggio di un “dente” di riferimento emettendo due valori di tensione ben precisi. In condizioni di riposo la ten-sione in uscita dal sensore è di 0.3 V, in presenza del dente la tenten-sione vale 0.8 V. In Figura 3 è mostrato un esempio del segnale in uscita al sensore. Il gap tipico sensore-dente è di 1 mm con tolleranza ±0.5mm.

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Figura 3 – Segnale in uscita dal sensore

2.3 Il regolatore di pressione

E’ un dispositivo usato nel sistema d’iniezione, attuato elettromagne-ticamente, che consente di regolare in modo continuo la pressione d’esercizio del sistema.

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Il regolatore riceve il segnale dall’unità di controllo del motore attra-verso la modulazione della tensione della batteria (Pulse Width Modulation) e regola la pressione per mezzo di un solenoide che, agendo su un otturatore, varia la sezione di by-pass del fluido dal rail al tubo di bassa pressione.

2.4 Elettrovalvole

E’ una elettrovalvola di dimensioni ridotte, pilotata con tensione 24 V. E’ utilizzata per l’apertura e la chiusura del recipiente contenente il fluido i-niettato. Nelle figure seguenti sono mostrate l’elettrovalvola e la sua sezione con l’indicazione delle varie parti.

Questo dispositivo è collegato tramite scheda al personal computer ed è controllabile da programma.

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Figura 6 – Vista in sezione dell’elettrovalvola.

2.5 Motore elettrico e controllore

2.5.1 Caratteristiche tecniche

Il motore elettrico utilizzato è il BSM100A-1150AA della Baldor. Ha una velocità massima di rotazione di 6000 rpm con risoluzione di 1 rpm. E’ un motore brushless con tensione di funzionamento 24 V. Questo motore è collegato ad un controllore comandabile tramite personal computer.

Figura 7 – Motore elettrico e controllore

Il controllore appartiene alla serie DSBC 1100 e comunica con il per-sonal computer attraverso la porta seriale, in particolare nel nostro sistema è stata utilizzata la porta seriale COM1.

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2.5.2 Specifiche del protocollo di comunicazione seriale.

La comunicazione con il controllore del motore avviene tramite la por-ta seriale RS232, i parametri del protocollo sono i seguenti:

• Baud Rate: 9600 bps • Data Bits: 8 • Stop Bits: 1 • Flow Control: no • Parità: no • Termination char: no • Timeout. 3000 ms

2.5.3 Istruzioni per il controllo del motore

Le istruzioni per il controllo del motore elettrico hanno in comune il carattere CR (ritorno carrello) come terminazione.

Le istruzioni utilizzate sono le seguenti:

• A0?↵ = Indirizzamento del controllore e verifica del corretto collega-mento con stringa di risposta.

• J↵ = Rotazione del motore in senso orario. • j↵ = Rotazione del motore in senso antiorario. • Q↵ = Arresto del motore.

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• i06 “parametro” ↵ = Velocità del motore.

Il parametro può assumere valori da 0 a 8388607. Per default assume il valo-re 100000, l’unità di misura è incvalo-rementi/secondi.

• i08 “parametro” ↵ = Tempo di accelerazione o decelerazione.

Il parametro può assumere valori da 0 a 65535. Per default assume il valore 100, l’unità di misura è 1/1024 secondi. Il valore 1024 equivale a 1 secondo.

Vedremo nelle subroutine specifiche come convertire la misura data dall’operatore in quella che effettivamente occorre al controllore.

2.5.4 Schema di collegamento Motore elettrico – Computer.

Figura 8 – Schema di collegamento

2.6 Bilancia e modulo isi-10

2.6.1 Caratteristiche tecniche

La bilancia e il modulo ISI formano un unico elemento. La bilancia è posta sotto il recipiente principale per fare la misura della portata mentre il

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modulo ISI è posizionato all’esterno della camera di prova. I due dispositivi comunicano tra loro tramite un apposito cavo di collegamento della Sartorius mentre il modulo ISI è direttamente collegato con il PC attraverso la porta seriale COM2. Il sistema bilancia-modulo è alimentato a 24 V.

Figura 9 – Bilancia e modulo isi-10

2.6.2 Specifiche del protocollo di comunicazione seriale.

Il protocollo di comunicazione seriale tra personal computer e modulo isi-10 ha i seguenti parametri di configurazione:

• Baud rate: 9600 bps • Data bits: 7 • Flow control: RTS/CTS • Stop bits: 1 • Parity: ODD • Termination char: no • Timeout: 3000 ms

2.6.3 Istruzioni per il controllo della bilancia.

La struttura dei comandi per il controllo delle funzioni della bilancia è la seguente:

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Dove ESC significa escape, il cui codice ASCII è \1B, CR è il ritorno carrel-lo (↵) e LF è nuova linea (↓).

I comandi disponibili sono: • P = Richiesta della misura. • T = Richiesta di tara.

• Q = Richiesta emissione di un beep da parte del modulo. • i_ = Richiesta informazioni modulo ISI.

• O = Richiesta blocco della tastiera del modulo ISI. • R = Richiesta sblocco della tastiera del modulo ISI.

2.6.4 Schema di collegamento Bilancia – Computer.

Figura 10 – Schema di collegamento

2.7 Chassis SCXI 1000 National Instruments

Lo chassis SCXI 1000 può contenere fino a quattro moduli National Instruments. Riferendosi alla figura 11 la numerazione dei moduli parte da sinistra verso destra. Lo chassis è individuato in LabVIEW tramite un

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indi-rizzo scelto mediante appositi switch presenti sul pannello frontale insieme all’interruttore d’accensione e il relativo led. Nel nostro caso lo chassis ha indirizzo 0. E’ alimentato con la tensione di rete.

Figura 11 – Chassis SCXI 1000

2.8 Modulo SCXI 1161 National Instruments

Lo SCXI 1161 è un modulo relay switching dotato di 8 canali funzio-nanti a 8 A e 125 Vrms, 6 A e 250 Vrms oppure 5 A e 30 Vdc,utilizzato per

ap-plicazioni in alta potenza. Nel nostro caso è usato a 5 A e 30 Vdc per pilotare

l’apertura e la chiusura dell’elettrovalvole.

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2.9 Modulo SCXI 1141 National Instruments

Il modulo SCXI 1141 della National Instruments è un filtro program-mabile ad otto canali. Questo modulo ha un amplificatore per strumentazione ed un filtro di tipo ellittico dell’ottavo ordine, entrambi programmabili, per ogni canale. Ciascuno canale può acquisire segnali con un range da ± 50 mV fino a ± 5 V, ed è possibile operare in modalità parallela oppure multiplexa-ta.

In modalità parallela, il modulo non esegue un multiplexing del segna-le e passa semplicemente il segnasegna-le condizionato direttamente al corrispon-dente canale sul dispositivo DAQ. Il vantaggio della modalità parallela è che solo il dispositivo DAQ limita la velocità d’acquisizione e non il sistema SCXI. Lo svantaggio è che un dispositivo DAQ può ricevere segnali da un solo modulo.

In modalità multiplexata è possibile condizionare più segnali all’interno di un dispositivo DAQ. Il dispositivo DAQ utilizzando corretti segnali di sincronia, compie una scansione dei vari canali collegati al modulo SCXI acquisendone i relativi valori. Questa tecnica è molto più lenta rispetto alla modalità parallela, dovendo aspettare la fine della scansione di tutti i ca-nali per acquisire un nuovo valore.

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Figura 13 – Modulo SCXI 1141 e risposta in frequenza

Il filtro ellittico dell’ottavo ordine ha frequenza di cut-off program-mabile da 10 Hz a 25 kHz. Più specificatamente la frequenza di cut-off vale:

100 c kHz f n = con n = 4, 5, …10.

Lo schema ha blocchi interno del modulo è mostrato in figura 14.

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2.10 Terminal block SCXI 1305 National Instruments

E’ una morsettiera da collegare al modulo 1141 per collegare i sensori tramite cavi BNC.

Figura 15 – Morsettiera SCXI 1305.

2.11 Scheda PCI MIO 16E-1 National Instruments

Questa scheda montata internamente al personal computer su bus PCI è utilizzata per l’acquisizione dati. E’ dotata di 16 canali analogici di I/O single-ended, 2 contatori a 24 bit e trigger analogico.

Figura 16 – Scheda PCI MIO 16E-1. In figura 17 è mostrato lo schema a blocchi della scheda.

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Figura 17 – Schema a blocchi della scheda PCI MIO 16E-1

2.12 Scheda PCI 6503 National Instruments

Anche questa scheda è installata all’interno del personal computer su bus PCI. E’ una scheda digitale a 24 canali TTL compatibili divisi in tre por-te di 8 bit ciascuna. Ogni canale può essere utilizzato come ingresso, uscita o in modo bidirezionale. Il trasferimento dati può avvenire mediante interrupt o programmed I/O. Le singole porte sono denominate portA, portB e portC. Nel nostro caso viene utilizzata la portA, output e la trasmissione program-med I/O.

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Figura 18 – Scheda 6503 e schema a blocchi.

2.13 Schema di collegamento del sistema SCXI

Lo SCXI è un’architettura completa di condizionamento dei segnali che fornisce una piattaforma versatile e ad alte prestazioni. Nella figura se-guente è mostrata la tipica struttura di un sistema SCXI.

Figura 19 – Sistema SCXI

I sensori sono collegati direttamente con il terminal block. Lo chassis SCXI ospita i due moduli 1161 e 1141, fornendo l’alimentazione e il control-lo del SCXI bus. Lo chassis SCXI è collegato al dispositivo DAQ interno al computer, le schede 6503 e MIO 16E-1. Il dispositivo DAQ controlla il fun-zionamento dello chassis SCXI.

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2.13.1 Modulo 1141 – Scheda MIO 16E-1 – Sensore - Re-golatore

La scheda PCI MIO 16 E-1 è installata internamente al personal com-puter su uno slot PCI. Sul retro della scheda è presente un connettore per col-legarla tramite un cavo SCXI allo chassis. Nello chassis è installato il modu-lo 1141. Nella figura seguente sono mostrati i due collegamenti.

Figura 20 – Installazione della scheda e del modulo SCXI nello chassis.

Il modulo 1141 installato nello slot numero 1 dello chassis, necessita del terminal block per connettere il sensore sul canale zero utilizzando con-nettori BNC. Il terminal block è installato semplicemente sul modulo con due viti.

Una delle due uscite contatore disponibili nella scheda MIO 16E-1 è utilizzata per pilotare il regolatore di pressione. La selezione del contatore può essere fatta direttamente da programma.

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Bus PCI 68 2 Regolatore di pressione Sensore di pressione MIO 16E-1 SCXI 1141 SCXI 1161 SCXI 1000

Figura 21 – Schema di collegamento per il regolatore ed il sensore di pressione.

2.13.2 Modulo 1161 – Scheda PCI 6503 – Elettrovalvole

La scheda 6503 ed il modulo 1161 sono installati come in figura 20. La scheda 6503 ha configurato i suoi pin come uscite, dovendo pilotare l’apertura e la chiusura delle elettrovalvole. Il modulo 1161 la cui funzione è quella di dare la necessaria potenza per pilotare le elettrovalvole, è collegato direttamente alle varie elettrovalvole ed è posizionato nello slot numero 2 dello chassis. Per il modulo 1161 non è utilizzato nessun tipo di terminal-block. Bus PCI 8 Elettrovalvole 6503 SCXI 1161 SCXI 1000

Figura

Figura 1 – Sensore di pressione 0 – 150 bar
Figura 2 – Caratteristica pressione-tensione
Figura 3 – Segnale in uscita dal sensore
Figura 5 - Elettrovalvola
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