Así son los sentidos del automóvil

Presentamos el principio de funcionamiento y los fallos que se presentan en los sensores automotrices.

El ser humano interactúa con el ambiente que lo rodea a través de los sentidos. Son ellos la vista, el olfato, el oído, el gusto y el tacto, los que le permiten al cerebro procesar la información, tanto interna como externa, para sobrevivir.

De manera similar, el automóvil cuenta con los sensores, que son elementos que están diseñados para interactuar con el medio que los rodea con el fin de medir variables físicas y convertirlas en información que sea procesable por un ordenador.

Existe gran variedad de sensores aplicados en la industria automotriz que se han desarrollado para garantizar altos niveles de fiabilidad y precisión comparables con otras industrias como la aeronáutica donde los errores e imprecisiones no tienen cabida.

En la actualidad el vehículo es monitoreado por distintos sensores que le indican a los diferentes controladores (como la unidad de control del motor –ECU) el entorno que lo rodea, para brindar seguridad y control en los diferentes sistemas como el motor, la transmisión, los elementos de seguridad activa, los elementos de seguridad pasiva, o los sistemas de confort que apoyan al conductor al momento de manejar.

Todo este desarrollo tecnológico que existe en la integración de sensores al vehículo fue impulsado a nivel mundial por los organismos de control estatales para disminuir las emisiones contaminantes hacia la atmósfera.

Al incluir medios de control computarizados que no permitan grandes desviaciones, el hombre ha sido capaz de disminuir el impacto de la contaminación de la industria automotriz en el mundo.

¿Qué es un sensor?

El sensor es un elemento diseñado para medir magnitudes físicas (como temperatura del refrigerante, revoluciones del cigüeñal) o químicas (gases de escape, calidad del aire) y transformarlas en señales eléctricas para que puedan ser entendidas por una unidad de control.

La señal eléctrica de salida del sensor tiene variaciones en la amplitud, frecuencia y periodo de la tensión y la corriente, las cuales son codificadas en la unidad de control.

En la actualidad los vehículos cuentan con una variedad importante de sensores que se encargan de monitorear el funcionamiento del motor así como el de la seguridad y el confort. Se puede indicar que al vehículo se integran alrededor de 60 a 70 sensores que envían señales a las unidades de control sobre los eventos físicos que ocurren con el vehículo.

¿Dónde están en el vehículo?

En el automóvil cada sensor se especializa en registrar un evento o una magnitud física. Por esta razón es que están distribuidos de tal manera que se garantice la calidad de información por registrar. En la siguiente imagen se muestra la distribución de los sensores.

Particularidades de diseño de los sensores

Los sensores utilizados en la industria automotriz están diseñados para responder a las más duras exigencias que se presentan en el diario funcionamiento de los vehículos. Así, el diseño y confiabilidad en la información son factores importantes que los caracterizan. En el siguiente esquema se relacionan los factores de su diseño:

1. Alta fiabilidad. Las exigencias que tiene un sensor de aplicación automotriz son comparables con la industria aeronáutica y astronáutica. Su fiabilidad se garantiza por técnicas de construcción que utilizan materiales y componentes altamente seguros. Los sensores pueden ser clasificados en tres clases de fiabilidad según su importancia:

Seguridad: en sistemas de dirección, frenos y protección a los pasajeros.

Funcionamiento: en el motor, el conjunto de transmisión cinemática, el tren de rodaje y las llantas.

Otros: en sistemas de confort, diagnosis, información y protección contra el robo.

2. Bajos costos en fabricación. Debido a la cantidad de sensores integrados por un solo automóvil y la producción en masa de vehículos, los costos de fabricación de estos pueden llegar a ser 100 veces inferiores a los costos de fabricación de sensores convencionales de igual rendimiento empleados en otros sectores industriales.

3. Duras condiciones de funcionamiento. Los sensores se ubican en puntos particularmente expuestos del vehículo, por tanto están sometidos a cargas extremas y han de resistir toda clase de esfuerzos mecánicos (vibraciones, golpes), climáticos (temperatura, humedad), químicos (exposición a combustibles, aceite de motor, solventes, agua salina, entre otros), o electromagnéticos (irradiaciones, impulsos parásitos producidos en los cables, sobretensiones, inversión de polaridad).

4. Compactibilidad. Su diseño debe acomodarse a las necesidades y requerimientos particulares. Desde esta óptica, su tamaño por lo general es pequeño y compacto.

5. Alta precisión. Comparados con las exigencias que se requieren en los procesos industriales, los sensores automotrices tienen tolerancias admisibles, en general, mayor o igual al 1% del valor final del alcance de medición.

El diseño y confiabilidad en la información son factores importantes que caracterizan a los sensores.

Funcionamiento de los sensores

A continuación describimos la clasificación general de los diferentes tipos de sensores que se encuentran en el vehículo. De esta clasificación mencionamos algunos, luego identificamos su funcionamiento y las fallas que produce su avería.

1. Sensores de posición. Los sensores de posición sirven para detectar recorridos lineales y posiciones angulares. Este tipo de sensores son los más utilizados en el automóvil debido a sus diferentes principios de medición. Por ejemplo existen sensores que funcionan bajo los siguientes principios:

• Sensores de potenciómetro
• Sensores inductivos
• Sensores magnetostáticos
• Sensores de propagación de ondas (Ultrasónicos y electromagnéticos –radar)

A continuación describimos el funcionamiento de un sensor potenciómetro, como el de posición de mariposa del acelerador (TPS – Throttle Position Sensor).

2. Sensores de velocidad. Están diseñados para registrar la velocidad de rotación o la velocidad lineal midiendo un ángulo descrito o un espacio recorrido por unidad de tiempo. En ambos casos se trata generalmente de magnitudes de medición relativas que aparecen entre dos piezas o, también, en relación con la calzada u otro vehículo. Así mismo existen varios sensores de velocidad que funcionan bajo los siguientes principios:

• Sensores magnetostáticos (barreras Hall, sensores de gradiente).
• Sensores inductivos (o sensores de efecto Hall).

A continuación describimos el funcionamiento de un sensor de velocidad de tipo inductivo que se encuentra en el motor, como el sensor de posición de cigüeñal.

3. Sensores de Aceleración y Vibraciones. Los sensores de aceleración miden bajo el principio de una de las leyes fundamentales de la dinámica de partículas, en donde una fuerza (F) es la resultante entre el cambio de posición de una partícula. En este caso la aceleración (a) tiene una determinada magnitud de masa (m), lo que resulta (F=m*a).

Dentro de este grupo de sensores hay:

• Sensores de aceleración de efecto Hall (sensores ABS, control electrónico de estabilidad ESP, control de tracción ASR).
• Sensores de aceleración piezoeléctricos (sensores de golpeteo ‘knocking’ para detectar la detonación).
• Sensores de aceleración micromecánicos (sensores de airbag, sensores de los pirómetros de los cinturones de seguridad).

A continuación describimos el funcionamiento de un sensor de vibraciones de tipo piezoeléctrico: el sensor de golpeteo.

4. Sensores de presión. Este tipo de sensores miden directamente la deformación causada en una membrana para determinar los cambios de presión que se pueden presentar en los gases o líquidos.

Existen diferentes modelos de sensores de presión:

• De capas gruesas (sensor de presión del múltiple de admisión o de presión del medio ambiente).
• Micromecánicos.
• De combustión de silicio.
• De alta presión de membrana metálica (sensores de presión de combustible y de presión de frenado).

En el siguiente cuadro describimos el funcionamiento de un sensor de presión tipo capas gruesas: el sensor de barométrico.

5. Sensores de caudal. Se encargan de medir la cantidad de flujo en determinado tiempo. Se emplea para registrar la cantidad de combustible suministrado al sistema de inyección o también para medir la cantidad de aire aspirado por el motor para la combustión.

En este grupo se encuentran:

• Sensores de caudal de combustible
• Sensores de caudal de aire (sonda volumétrica de aire por plato sonda, medidor de aire por hilo caliente, medidor de aire por película caliente).

A continuación describimos el funcionamiento de un sensor de caudal de aire tipo hilo caliente.

6. Sensores de gas o sondas de concentración. Este tipo de sensores miden la concentración de una sustancia determinada, indicando la fracción de masa o de volumen con que está contenida en otra sustancia o en una mezcla de otras sustancias. La facultad de un sensor de concentración es medir únicamente la sustancia que se quiere detectar e ignorar (en lo posible) otro tipo de sustancias.

En este grupo se derivan otros dependiendo del principio de funcionamiento:

• Sensores de gases en general (sondas lambda).
• Sensores de medición de la humedad (sondas de medición de la humedad).

A continuación se describe el funcionamiento de un sensor de oxígeno (O₂).

7. Sensores de temperatura. La mayoría de sensores de temperatura necesita un estrecho contacto directo del elemento sensor con el medio a medir para tomar con la máxima precisión la temperatura del medio. Hay otros sensores que miden la temperatura como:

• Sensor de temperatura del aceite del motor.
• Sensor de temperatura del combustible.
• Sensor de temperatura del aire de admisión en el motor.

Conclusiones

Los sensores utilizados en la industria automotriz están diseñados para responder a las más duras exigencias que se presentan en el diario funcionamiento de los vehículos automotores. Así mismo, está comprobado que el diseño y confiabilidad en la información son factores importantes que caracterizan el sensor.

En el caso de los sensores que monitorean el funcionamiento del motor, los fallos que se pueden presentar afectan directamente el proceso de combustión, lo que conlleva elevar los consumos de combustible así como las emisiones.

Existe una complejidad técnica en la determinación de un fallo por un sensor porque, por ejemplo, una anomalía en el motor puede ser la cadena de varios problemas de otros componentes o el registro de información equívoca por parte de un sensor obstruídoobstruido.