Современный автомобиль – это сложное электротехническое и электронное устройство, характеризующееся сотней метров электропроводки и высокой величиной плотности тока различного вида: от постоянного до переменного и импульсного. Энергонасыщенность автомобиля в сочетании с наэлектризованностью, возникающей в процессе его движения, приводит к протеканию блуждающих токов по всем электропроводящим частям автомобиля: кузову, ходовой части и двигателю.

Величина наводимой э.д.с. в частях автомобиля составляет от 20 до 100мВ на участке корпуса автомобиля длиной в один метр. Все датчики и исполнительные устройства автомобиля достаточно энергоемкие, т.е. потребляют большой ток, что обеспечивает их помехоустойчивость и нормальную работу в автомобиле. Тип и конструкция штатных датчиков автомобиля специально спроектированы для такой работы с большим уровнем электронных помех. Такие датчики обладают невысокой точностью и разрешающей способностью, что приводит к необходимости доукомплектовывать автомобиль высокоточными датчиками, улучшающими условия эксплуатации и контроль за автомобилем.

Так, например, штатный датчик топлива автомобиля имеет нелинейную шкалу, точность контроля 2-5 литра, при этом его показания сильно зависят от угла наклона автомобиля. Поэтому, для качественного контроля за расходом и количеством топлива, автомобиль доукомплектовывается дополнительным датчиком уровня топлива с разрешающей способностью 0,1 л, при этом его показания не зависят от температуры окружающей среды и угла наклона автомобиля.

Такой датчик строится на базе емкостного преобразователя, когда чувствительный элемент в виде цилиндрического конденсатора устанавливается внутри топливного бака. Уровень топлива в баке и внутри цилиндрического конденсатора будут всегда одинаковые, что и позволяет измерять объем топлива в баке по изменению собственной емкости цилиндрического конденсатора. Диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а бензина 1,8 - 2,3, поэтому от высоты уровня топлива в баке будет зависеть и емкость цилиндрического конденсатора, являющегося чувствительным элементом датчика.

При диаметре наружного электрода цилиндрического датчика порядка 20мм, его емкость изменяется от 20 до 100 пФ в зависимости от заполненности топливного бака. За счет малого диаметра наружного электрода угол наклона автомобиля практически не влияет на результат измерения. А температурные расширения топлива и бака компенсируются в микроконтроллере датчика, в котором имеется датчик температуры и заложен коэффициент линейного расширения топлива от температуры. Такая конструкция датчика и способ обработки его выходного сигнала позволяют получить заданную точность измерения.

Для получения таких хороших характеристик датчика надо выполнить ряд требований, и первейшее из них – обеспечение его помехоустойчивости, так как цилиндрический конденсатор является открытым колебательным контуром. А из курса физики мы помним, что именно такой чувствительный элемент был использован в первых приемо-передатчиках Порова и Маркони, который обладает высокой чувствительностью не только к изменению собственной емкости, но и ко всем электрическим полям, которые его окружают и с избытком присутствуют в автомобиле.

При этом наружный электрод цилиндрического конденсатора датчика, находясь в топливном баке, образует с корпусом топливного бака дополнительную емкость порядка 10-30пФ, которая является отличным проводником внешних помех. Поэтому использование различных способов локального экранирования «заземления», если можно говорить о таковом, не дают требуемого уровня защиты от помех.

Самым эффективным способом защиты датчика от помех является отделение его электропитания от бортовой сети автомобиля, то есть осуществить его гальваническую развязку. Собственная система электропитания, не имеющая электрической связи с корпусом автомобиля, а так же цифровая фильтрация сигнала преобразователя в микроконтроллере датчика и пассивные фильтры 2-го порядка по цепям питания, позволяют обеспечить надежную работу датчика топлива.

При установке датчика, его сигнальные цепи желательно выполнять экранированным кабелем или проводом большого сечения, при этом он должен быть проложен отдельно от кабельных линий автомобиля. Чем и объясняется высокая помехоустойчивость датчика и системы сбора, обработки и передачи данных при использовании гальванической развязанного питания данной системы от корпуса автомобиля.

Высокая помехоустойчивость такой системы обусловлена рядом факторов. Прежде всего – это отсутствие общего провода автомобиля и встраиваемой системы контроля, по которому распространяются все помехи, создаваемые электросистемой автомобиля и наводимые из вне. Другим важным фактором повышения помехоустойчивости является резкое сокращение «паразитных» емкостей между электросистемой автомобиля и встроенной системой контроля.

Это связано с тем, что емкости, в том числе и «паразитные», которые являются основным путем проникновения помехи в систему, образуются вокруг общего провода. А в гальванически разделенной системе автомобиль имеет свой общий провод, а система контроля – свой. Таким образом, образовавшиеся «паразитные» емкости автомобиля и встроенной системы контроля не имеют непосредственной электрической связи, что не позволяет помехам автомобиля проходить во встроенную систему контроля, т.к. цепи системы контроля не образуют общих емкостей с цепями автомобиля.

При этом гальваническая развязка встраиваемой системы контроля должна быть общей для всей системы, а не локальной для каждого отдельного датчика или устройства. Это связано с тем, что современные схемы обработки сигналов датчика являются маломощными, т.е. имеют ток потребления 3-5мА. Броски тока в цепях питания автомобиля могут достигать десятков ампер, что в сотни раз превышает токи питания датчика.

Таким образом образуются новые пути проникновения уже электромагнитной помехи через индукционную связь. Единая мощная гальваническая развязка обеспечивает ток системы порядка ампера, что уже в десятки раз уменьшает уровень наводимых электромагнитных помех и позволяет построить эффективную систему пассивной фильтрации напряжения за счет частичной потери мощности в гальванической развязке, что невозможно сделать в слаботочных локальных гальванических развязках.

Единая гальваническая развязка системы контроля позволяет использовать для питания системы контроля отдельный автономный источник питания, что дает возможность контролировать параметры автомобиля при отсоединенном его собственном аккумуляторе и при этом система контроля не подвергается опасности короткого замыкания в цепи автомобиля или подачи обратной полярности, а также мощных бросков импульса тока, способных вывести систему контроля из строя.

При аппаратном обеспечении требуемого уровня помехоустойчивости и правильно выполненном монтаже встраиваемой системы контроля, за счет стабильной высокой чувствительности датчиков, она становится многофункциональной, т.е. позволяет получить больше информации с одного датчика. Так датчик контроля уровня топлива позволяет контролировать не только расход топлива, но и определять его качество.

Высокая чувствительность емкостного датчика топлива позволяет определять величину диэлектрической проницаемости топлива. Чем выше качество бензина, тем меньше в нем тяжелых углеводородов и тем ниже его диэлектрическая проницаемость. Как уже отмечалось выше, диэлектрическая проницаемость бензина 1,8 – 2,3, а диэлектрическая проницаемость таких углеводородов, которые используются для разведения бензина следующая: гексанон – 13,3; ацетон – 20,7; метанол – 33,1; этанол – 24,3; этиленгликоль – 33,1; вода – 78,53. Таким образом, используя специальный алгоритм обработки выходного сигнала датчика, можно проводить оценку качества заливаемого топлива по величине его диэлектрической проницаемости. Это только один из примеров того, какие возможности имеются у встраиваемой системы контроля при правильной ее установке и эксплуатации.

Делая вывод можно сказать, что применение гальваноразвязки при монтаже дополнительных датчиков на современном автомобиле является необходимостью для достижения точных показаний датчиков а также расширяет возможности их использования.

Не обязательно применять гальваноразвязку цепей транспорта при применении датчиков с низкой точностью измерений и снесходительному отношению к помехам.

Выше представленный материал, а также опыт эксплуатации систем контроля и диагностики, встраиваемых в современный автомобиль показывает, что их успешная эксплуатация возможна только при осуществлении питания данных систем через гальваническую развязку от бортовой сети автомобиля.

Во-первых, полная гальваническая развязка обеспечивает высокую помехоустойчивость, что в свою очередь гарантирует стабильную, надежную работу системы и достоверность получаемой информации о контролируемых параметрах автомобиля.

Во-вторых, гальваническая развязка защищает систему контроля и датчики от бросков тока и напряжения, возникающих в автомобиле в процессе его эксплуатации, что препятствует из выходу из строя.

В-третьих, гальваническая развязка дает возможность использовать резервное питание, что гарантирует ее работу при отключении от бортовой сети автомобиля, и получение всего объема информации о местоположении и состоянии элементов автомобиля, а также препятствует несанкционированному доступу к системе и специальному выводу ее из строя.

Автор: профессор Мирошников Вадим Владимирович зав. кафедрой Приборов восточноукраинского национального университета им. В. Даля.