Elementaire meettechniek (1)

Elementaire meettechniek (1) E. Gernaat (ISBN 978-90-808907-5-6) 1 Inleiding tot het autotechnisch meten 1.1 Apparatuur voor het stellen van diagnoses De tijd dat diagnoses werden gesteld door alleen naar de motor te luisteren ligt al ver achter ons 1. Meer en meer zal men bij het stellen van diagnoses aan motorvoertuigen gebruik moeten maken van meetinstrumenten. Men onderscheidt: uitleesapparatuur voor on-board diagnose; off-board (meet)instrumenten; combinatie van bovenstaande instrumenten. 1.2 On-board diagnoseapparatuur De VAS-5051 van Volkswagen, de Tech1 van Opel en de Intelligent tester van Toyota zijn voorbeelden van diagnose-apparaten die op de diagnose-connector van het voertuig kunnen worden aangesloten. De meeste van de op het voertuig aanwezige computers kunnen storingen detecteren en in het geheugen opslaan. Moderne testers lezen deze storingen uit maar zijn ook in staat om de meetwaarden van de sensoren weer te geven. Ook kunnen vanuit de tester componenten worden aangestuurd. We zien ook dat parameters kunnen worden gewijzigd waardoor bijv. comfort-eigenschappen van de auto aan de wensen van de klant kunnen worden aangepast. Indien nodig kan het computerprogramma worden gewist ( flashen ) waarna de computer kan worden voorzien van nieuwe (aangepaste) software. Men spreekt van seriële communicatie tussen de tester en de op de auto aanwezige besturingscomputers. Seriële diagnosetesters worden steeds sneller, intelligenter en bieden steeds meer mogelijkheden. Het kunnen omgaan met deze testers is van essentieel belang voor de technicus. Niet alleen voor het stellen van diagnoses maar ook voor het aanpassen van het voertuig aan de wensen van de klant. Helaas zijn de seriële testers voor elk merk verschillend. Universele testers vinden we wel voor de OBD2- en EOBD-voertuigen. Met deze OBD-testers kunnen echter alleen milieu-gerelateerde storingen worden uitgelezen. 1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing. Op voorwaarden vrij kopieerbaar 1

1.3 Off-board instrumenten Dit zijn instrumenten die men op een onderdeel aansluit waardoor een directe meting wordt verricht. Enige elektrische off-board instrumenten zijn: de universeel- of multimeter; de oscilloscoop; de stroomtang; de temperatuurmeter; de vier/vijfgastester. 1.3.1 Integratie van instrumenten De werkplaats zal in eerste instantie gebruik maken van de seriële fabriekstester. Ook wanneer er geen directe klachten zijn zal de tester gebruikt worden als vast onderdeel van een service-beurt. Dit kan zijn om te kijken of de computers geen foutcodes hebben opgeslagen of voor het resetten van bepaalde parameters. Dit laatste kan bijv. het geval zijn bij voertuigen die variabele serviceintervallen aanhouden. Ook voor het stellen van een diagnose zal men beginnen met het uitlezen van de foutcodes. Is men niet zeker van de diagnose of wenst men meer informatie dan maakt men gebruik van de multimeter of een oscilloscoop. Combinatie-apparaten zoals de VAS-5051 van Volkswagen gaan nog verder dan de combinatie van on- en offboard instrumenten. Zij bieden een complete diagnose-omgeving inclusief geleide instructie en geïntegreerde reparatiehandboeken. Ook staan de moderne testers on-line in verbinding met de importeur of fabrikant. Gespecialiseerd personeel kan dan bijv. vanuit de fabriek de technische informatie die een auto in een willekeurige werkplaats levert, beoordelen. In dit cursusdeel maken we alleen kennis met het off-board meten en de mogelijkheden die deze meters bieden. 2 Beginselen van de elektrotechniek 2.1 Definities, de wet van Ohm Om te kunnen meten is het noodzakelijk dat men goed op de hoogte is van de basis-begrippen uit de elektriciteitsleer. De begrippen spanning, stroom en weerstand zullen bekend zijn. Voor de zekerheid zullen we deze herhalen. 2.1.1 Elektrische stroom (I) Onder een elektrische stroom wordt meestal een stroom van vrije elektronen verstaan. In de elektronica willen we nog wel eens onderscheid maken tussen een stroom van negatief geladen deeltjes, de elektronenstroom en een stroom van positief geladen deeltjes de zgn. gatenstroom. Elektronen zijn uiterst kleine deeltje die onderdeel zijn van een atoom. De plaats van het elektron, dus 2

niet het elektron zelf, noemt men wel een gat. Een elektronen- of gatenstroom komt niet uit zichzelf opgang. Hiervoor is een spanning nodig. Zonder spanning geen elektrische stroom. We kunnen echter wel spanning hebben zonder dat er sprake is van een elektrische stroom. 2.1.2 De hoeveelheid elektrische stroom (A) De grootte van de stroom zouden we kunnen uitdrukken in het aantal elektronen of gaten die per seconde door een draad gaan. Men maakt gebruik van de ampère als eenheid. Begripsmatig kunnen we een stroom van 1 A voorstellen als een vast aantal elektronen of gaten dat per seconde door een geleider (draad) gaat. 2.1.3 Elektrische spanning (U) Beweging ontstaat alleen ten gevolge van een kracht (Newton). Dit geldt ook voor de elektronen resp. gaten. Deze kracht, die we spanning noemen, zet de elektronen in beweging. De elektrische spanning drukken we uit in volts. Begripsmatig kunnen we de elektrische spanning zien als de kracht achter de elektronen. 2.1.4 Weerstand (Ω) Weerstand remt de beweging af. Bij een elektrische stroom is dit niet anders. We kunnen ons de elektrische weerstand voorstellen als de weerstand die de elektronen of gaten ondervinden tijdens hun verplaatsing. 2.1.5 De wet van Ohm De wet van Ohm geeft de relatie weer tussen de genoemde begrippen. Meer spanning geeft meer stroom bij dezelfde weerstand. Om meer stroom te krijgen bij dezelfde spanning moet de weerstand worden verkleind. Dit verband wordt door de wet van Ohm weergegeven. In formule: waarin: U = I x R U = spanning uitgedrukt in volts (V); I = stroomsterkte uitgedrukt in ampère (A); R = weerstand uitgedrukt in ohm (Ω). 2.2 De elektrische stroomkring Een goed begrip over de verdeling van de spanning en de stroom in een stroomkring is nodig om een correcte meting te kunnen uitvoeren. We bekijken een 3

eenvoudig schema waarbij met behulp van een schakelaar een lamp aan en uit kan worden geschakeld. Als de schakelaar open staat dan meten we over de batterij de onbelaste spanning ook wel de EMK-genoemd. De EMK is de spanning van de stroombron zonder dat er een stroom loopt. Wanneer we de schakelaar sluiten dan loopt er een stroom waarvan de grootte bepaald wordt door de spanning en de weerstand van het circuit. De spanning van de stroombron daalt door zijn inwendige weerstand tot de klemspanning. Nu wordt volgens de wet van Ohm de spanning in een circuit totaal opgebruikt. Als we beginnen met een klemspanning 12 V dan blijft er 0 V aan het eind over. In het getekende circuit is er sprake van een serie-schakeling omdat alle componenten achter elkaar staan. De stroomsterkte blijft overal gelijk maar over elke weerstand gaat spanning verloren. Hoe groter de weerstand hoe groter het verlies aan spanning is. Alle spanningsverliezen bij elkaar opgeteld vormen samen de klemspanning. In formulevorm: Vklem = V1 + V2 + V3. V V klem V1 V2 V3 Figuur 1: Het spanningsverlies over de schakelaar (V1) plus het spanningsverlies over de lamp (V2) plus het spanningsverlies van de massa-lamp naar de min-batterij (V3) is de (klem)spanning die we over de batterij meten. Bij een dergelijke schakeling kunnen we opmerken dat: bij een goede schakelaar en goede massaverbindingen geldt: Vklem = V2; bij het sluiten van de schakelaar de (onbelaste) batterijspanning iets zal dalen. Dit wordt veroorzaakt door het spanningsverlies in de stroombron omdat de stroom ook van de batterij-min naar de batterij-plus moet stromen. 2.3 Spanningsbronnen Een lastig onderwerp vormt de stroombron (in dit geval de batterij). De elektronen treden bij de pluspool naar buiten en komen bij de minpool weer binnen. Wanneer een spanningsbron geen stroom levert noemen we deze -zoals reeds is opgemerkt- onbelast. Een belaste spanningsbron levert derhalve stroom. De stroom vormt een gesloten keten, het verlaat de spanningsbron maar komt ook de spanningsbron weer binnen. De stroom gaat uitwendig van + naar - maar inwendig van - naar +. Aangezien het ook inwendig energie kost om de elektronen van - naar + te verplaatsen zal er sprake zijn van spanningsverlies. De 4

spanning aan de klemmen daalt als als er stroom geleverd wordt. Anders gezegd, de EMK verandert in de klemspanning (Uk). Hoeveel de spanning daalt hangt af van de grootte van de gevraagde stroom en de inwendige weerstand van de stroombron. Voor een gemiddelde startbatterij bedraagt de inwendige weerstand 0,01 tot 0,02 Ω. De onbelaste spanningsbron in het voorbeeld van spanningsbron + EMK 12,2 V R=0,02 Ohm verbruiker spanningsbron + 12 V R=0,02 Ohm verbruiker 10A Figuur 2: Door de invloed van de stroomverbruiker daalt de klemspanning ten gevolge van de inwendige weerstand van de stroombron. fig. 2 is bijv. 12,2 Volt. De inwendige weerstand bedraagt 0,02 Ω. Wanneer we over de spanningsbron een verbruiker (weerstand) aansluiten dan zorgt de optredende stroom voor een spanningsverlies. We meten bij een stroom van 10 A bijv. 12 V. In het voorbeeld: 10 A x 0,02 Ω = 0,2 V. De klemspanning wordt dan 12,2 V - 0,2 V = 12,0 V. 2.3.1 Gestabiliseerde spanningsbronnen Het dalen van de (klem)spanning wordt dus veroorzaakt door de stroom door de spanningsbron en de inwendige weerstand van de spanningsbron. Zouden we geen inwendige weerstand hebben dan hebben we ook geen daling van de spanning. Helaas is dit nooit het geval. In een aantal schakelingen is het echter ongewenst dat de klemspanning daalt. Dit geldt voor de meeste elektronicaschakelingen maar ook voor de laadspanning van de dynamo. Wanneer we spreken over een gestabiliseerde spanningsbron dan wil dat zeggen dat de spanning tijdens belasting niet daalt maar (nagenoeg) constant blijft. Hiervoor is echter een elektrische of elektronische stabilisatie-schakeling nodig. 2.3.2 Verschillende spanningsbronnen Elke spanningsbron heeft een plus- en een min-aansluiting. De belangrijkste spanningsbronnen zijn bekend: de dynamo en de batterij. Er zijn echter veel meer spanningsbronnen op een modern voertuig aanwezig. We noemen: inductiesensoren; (active) lambdasensoren; in- en uitschakelende spoelen (inductiespanningen); (geladen) condensatoren. Al deze onderdelen hebben een eigen plus- en min-aansluiting. 5

2.3.3 Metingen t.o.v. de voertuigmassa Hoewel de meeste batterij-gevoede multimeters en oscilloscopen spanningsverschilmeters zijn verdient het aanbeveling om zoveel mogelijk t.o.v. de voertuigmassa te meten. We sluiten dan de min-meetpen aan op de massa van het voertuig. Uitzondering vormen de actieve sensoren zoals de lambdasensor en de inductie-impulsgever. Deze meten we bij voorkeur tussen hun eigen plus- en minaansluiting (fig.3). Figuur 3: Inductieimpulsgevers meten we bij voorkeur t.o.v. hun eigen plus- en min-aansluiting (foto Fluke). 2.4 Serie- en parallelschakeling Elektrische verbruikers kunnen parallel en in serie worden geschakeld. Gecombineerde schakelingen zijn schakelingen waarin we zowel parallel als serie geschakelde verbruikers tegenkomen. In de auto zijn de meeste verbruikers parallel geschakeld. Met serieschakelingen hebben we vooral te maken wanneer we draden en schakelaars in de berekening moeten opnemen. Verbruikers die echt in serie geschakeld zijn komen we niet veel tegen. Bij parallelschakeling geldt (fig. 4) : de spanning blijft gelijk. V1 = V2 = V3 = V4; de stroom verdeelt zich zodanig dat A1 = A2 + A3 + A4. Voor serieschakeling geldt: de stroomsterkte blijft gelijk zodat A1 = A2; de spanning verdeelt zich over de weerstanden zodat Vt = V1 + V2 + V3. 6

Fig. 4 geeft schematisch het principe van een parallel en een serieschakeling weer. R1 A2 A1 R2 A3 R3 A4 V1 V2 V3 V4 Vt A1 R1 R2 R3 A2 V1 V2 V3 Figuur 4: Principe van een parallel- (boven) en een serieschakeling (onder) 2.5 De voertuigmassa Onder de voertuigmassa wordt verstaan de metalen voertuigdelen die er voor zorgen dat de stroom terug kan vloeien naar de min van de spanningsbron. Voertuigmassa is dus niet hetzelfde als de min van een spanningsbron. De voertuigmassa is ook niet hetzelfde als aarde. We kunnen zelfs zeggen dat de auto door de rubberen banden geïsoleerd ten opzichte van de aarde is opgesteld. 3 Tegenspanning bij elektromotoren Een draaiende elektromotor voldoet ook aan de principes van een dynamo (stroomgeleider draaiend in een magnetisch veld). Een draaiende elektromotor is dus tevens een dynamo. De elektromotor wekt een eigen spanning op die tegengesteld is aan de aangelegde spanning. Hoe hoger het toerental, hoe hoger de tegenspanning. Zou in het theoretische geval het toerental zo hoog worden dat de opgewekte spanning gelijk is aan de klemspanning dan stopt de stroom en komt de motor tot stilstand. Dit zal niet gebeuren. Derhalve is de tegenspanning, tegen-emk of Ut altijd kleiner dan de klemspanning (Uk). De tegenspanning beïnvloedt in sterke mate de motorstroom en derhalve de draaikracht (koppel) van de motor. In formule vorm: Uk - Ut = Ia x Ra waarin Uk de (aangelegde) klemspanning is en Ut de door de motor opgewekte tegenspanning. Ia is de motor(anker)stroom en Ra de ankerweerstand. Uit de formule valt te concluderen dat de motorstroom kleiner wordt als het toerental toeneemt en dat het motorkoppel het grootst is bij geblokkeerde motor (fig. 5). 7

+ Uk Ia Ut Ra M Figuur 5: De tegenspanning bij draaiende elektromotor. De effectieve spanning is Uk-Ut. 4 Afscherming van kabels De aansluitkabels van sensoren versturen signalen naar de computer. Deze signalen veranderen vaak voortdurend van grootte en soms van richting. Een signaaldraad heeft dus duidelijk een andere functie dan een voedingsdraad. Signalen die van de sensor naar de computer gaan mogen uiteraard niet worden gestoord. Signalen van buitenaf (stoorsignalen) mogen niet via de signaaldraad het eigenljke sensorsignaal beïnvloeden. Om te voorkomen dat de stoorsignalen de signaaldraad bereiken worden deze kabels uitgevoerd met een metalen mantel. De mantel van de signaaldraad ligt meestal slechts aan één zijde aan massa. Vaak, maar niet altijd, aan de computerzijde. Men voorkomt hierdoor zgn. aardlussen. Een coax-kabel ligt aan twee zijden aan de massa. Beide afschermingsvormen treft men wel aan. Om overspraak-storingen te voorkomen wordt ook wel gebruik gemaakt van in elkaar gevlochten draden (Twisted pair) We komen dit bijv. tegen bij de CAN-bus en bij luidsprekers. Ook bestaan er shielded twisted pair kabels dat zijn in elkaar gevlochten draden met hier omheen een mantel. Fig. 6 geeft een overzicht. motormanagement a twisted pair G28 G61 G66 b G28 inductieve motortoerentalsensor G61, G68 pingelsensoren massa Figuur 6: Een niet afgeschermde twisted pair kabel (a) en de afgeschermde kabels van een klopsensor en een toerentalsensor (b). De laatste is uitgerust met een coax-kabel (tekening Seat). 5 Het effect van inductiespanningen Inductiespanningen, veroorzaakt door het in- en uitschakelen van de stroom door een spoel veroorzaken stoorpulsen op het basissignaal. Inductiespannin- 8

gen ontstaan in relais, injectoren en andere in- en uitschakelende spoelen zoals koolfilterkleppen en (uiteraard) bobines. Ook in elektromotoren en dynamo s worden tijdens het draaien voortdurend stromen in- en uitgeschakeld. Berucht is de collectorwerking van een gelijkstroommotor. Deze inductiespanningen zijn weliswaar kortstondig maar kunnen zeer hoge spanningen bereiken. Vooral de computer is gevoelig voor deze spanningen maar ook andere elektronische componenten kunnen hierdoor defect raken of verkeerde signalen genereren. Met behulp van dioden, condensatoren en (smoor)spoelen kunnen we de ongewenste invloed van de inductiespanningen voorkomen. Storingen, opgewekt door elektromotoren, bestaan hoofdzakelijk uit wisselspanningen die niet door het monteren van dioden (zoals bij het relais) kunnen worden weggewerkt. Bij elektromotoren worden vrij algemeen filters toegepast die bestaan uit een (smoor)spoel met ferrietkern en een condensator. De smoorspoel geeft voor wisselspanning een grote weerstand en voor een condensator een kleine. Door het filter wordt op deze wijze de stoorpuls via de condensator naar de massa afgevoerd. Zie fig. 7. Figuur 7: Bij elektromotoren wordt veelal gebruik gemaakt van smoorspoelen om de storingen te voorkomen. 6 Vragen en opgaven Zie boek 9