La medición de temperatura ha sido uno de los principales problemas ingenieriles desde el comienzo de la era industrial. Por lo tanto, existen múltiples tecnologías para la medición de temperatura.

En el contexto automotriz la temperatura es un parámetro importante, por ejemplo, en la operación de un sistema de control electrónico de combustible es de vital importancia conocer la temperatura del refrigerante, la temperatura del aire de entrada y la temperatura del sensor de oxígeno del gas de escape; varias configuraciones de sensores están disponibles para la medición de estas temperaturas. Una de las aplicaciones más comunes en el área automotriz es la medición de temperatura de refrigerante. Esta aplicación ilustra el funcionamiento básico de la mayoría de los sensores de temperatura, que está diseñado para satisfacer el rango de temperatura esperado. Por ejemplo, para un refrigerante los rangos de operación de un sensor de temperatura son más bajos que para un sensor expuesto a los gases de escape.

Figura 2. Sensor automotriz para la medición de la temperatura de refrigerante. Imagen obtenida de www.bosch.com.mx solo para fines educativos.

En la figura 2 se muestra un sensor automotriz para la medición de la temperatura de refrigerante. En este sensor se utiliza un transductor de temperatura llamado termistor, que está encapsulado en un aditamento que le permite estar en contacto directo con el refrigerante. Un termistor es un semiconductor dotado de dos terminales cuya resistencia varía en función de la temperatura. Esta relación causa efecto es de naturaleza no lineal y viene modelada por una ecuación polinomio o logarítmica.

La medición de las variables mecánicas de posición, velocidad y aceleración tienen al igual que la temperatura, un papel muy importante en el industria automotriz. Estas variables pueden ser de rotación y de traslación.

Históricamente las variables de rotación, por ejemplo, la velocidad de giro del motor, han tenido más relevancia en el contexto automotriz. Sin embargo, últimamente se ha necesitado medir también el desplazamiento lineal de varios componentes mecánicos, tales como la suspensión.

Como para el caso de la temperatura, existen muchas tecnologías de medición de posición, velocidad y aceleración. Consideradas las condiciones de operación difíciles de un vehículo, una tecnología sobre muchas ha tenido éxito, una de ellas se trata de las técnicas de medición sin contacto basadas en principios magnéticos o inductivos.

En la figura 3 se muestra un sensor inductivo capaz de generar señales de posición, velocidad y aceleración angular que se utiliza para la medición de la posición del cigüeñal (posición de los pistones) y de la velocidad del motor. El sensor está montado directamente frente a una rueda ferromagnética de pulso de la que está separada por un espacio de aire estrecho. El sensor está hecho de un material magnético (núcleo), el cual está encerrado por un devanado (bobina). El nivel del flujo magnético que se genera en la bobina depende de si el sensor está frente a un diente de la rueda de pulso o a un espacio.

Cuando un diente está frente a la bobina, el flujo del imán se concentra en la misma generando una variación de voltaje. Cuando el diente se mueve, el flujo se reduce, así como el voltaje. Estos cambios continuos en el flujo magnético inducen una tensión de salida sinusoidal en la bobina que es proporcional a la tasa de cambio del flujo y por lo tanto a la velocidad del motor. La amplitud de la tensión varía en un campo muy extenso dependiendo de la velocidad de giro (varios mV a > 100 V). Se necesitan por lo menos 30 rpm para generar una amplitud detectable por los circuitos ADC.

El número de dientes de la rueda de pulsos depende de la aplicación particular. En los sistemas Motronic, se utiliza normalmente una rueda de pulsos de 60 de pasos. Para poder contar el número de giros se omiten 2 dientes, de manera que la rueda de pulsos tiene finalmente 58 dientes. El espacio donde se sitúan los dientes faltantes se asigna a una posición definida del cigüeñal y sirve como una marca de referencia para la sincronización de la unidad de control. Las geometrías de los dientes de pulsos de la rueda y el perno del polo deben coincidir entre sí para el sensor funcione correctamente.

En un vehículo moderno se pueden encontrar, además de sensores “convencionales” como lo son los sensores de temperatura y velocidades, sensores especiales que se usan para la medición de variables poco comunes como los flujos o las concentraciones de algún gas. El sensor de este género más famoso es el sensor de oxígeno Lambda.

Figura 4. Curva característica de un sensor Lambda. De: Bosch, R. (2013). Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics. Systems and Components, Networking and Hybrid Drive (5ªed.). Alemania: Springer.

Estos sensores se utilizan en motores de gasolina y se ubican en el tubo de escape entre el colector de escape del motor y el convertidor catalítico. Su tarea es registrar el flujo de escape de gas que sale de cada cilindro del motor. Los sensores Lambda, por ejemplo el modelo LSF4, también se pueden usar con los sistemas de control de gases de escape. Los sensores de oxígeno Lambda denominados de dos pasos, comparan el contenido residual de oxígeno en los gases de escape con el contenido de éste que se encuentra en la atmósfera e indican la mezcla aire-combustible. El salto repentino en la curva característica de estos sensores permite el control de aire-combustible. El valor de λ=1 indica una mezcla perfecta; valores menores a uno marcan una deficiencia de aire, mientras que valores superiores a uno un exceso.

Figura 5. Ejemplo de la instalación de una sonda lambda. Imagen obtenida de www.noticias.coches.com solo para fines educativos.