Automobilová diagnostika - měřící přístroje

Pro paralelní diagnostiku se používá konvenčních metod měření jak je tomu u běžných elektro měření nebo speciální přístroje určené pro automobily. Využívá se tedy základních znalostí fyzikálních dějů a používají se běžné elektro měřící přístroje a dále speciální měřící přístroje fyzikálních veličin.

Jednotlivé měřící metody jsou uvedeny v samostatné kapitole: Diagnostika - měřící metody.

Voltmetr

Voltmetr je jeden ze základních měřících přístrojů. Měří elektrické napětí označené U s jednotkou Volt(V). Ideální voltmetr měří potenciál (elektrické napětí) mezi dvěma body a nijak měřený obvod neovlivňujě. To znamená, že do měřeného obvodu žádnou energii nedodává ani neodebírá. V praxi ovšem nic není ideální, proto si dále popíšeme parametry reálných voltmetrů.

Reálné voltmetry

Stejně jako u ostatních měřících přístrojů lze rozdělit i voltmetry na analogové a digitální. Další rozdělění analogových měřících přístrojů jde udělat na mechanické a elektronické. Analogové měřící přístroje se vyznačují analogovým ukazatelem (ručička) a digitální displejem.

Analogový voltmetr je vhodný jako příruční měřící přístroj s rychlým orientačním odečtem naměřené hodnoty a hlavně uživatel má okamžitě přehled o tendenci měřené veličiny (rostoucí, klesající nebo konstantní hodnota). Pro přesnější odečtení hodnoty je třeba věnovat vetší pozornost u analogového měřáku oproti digitálnímu. Analogové měřící přístroje bez elektroniky mají poměrně malý vnitřní odpor a tudíž můžou zatěžovat měřený signál více než je vhodné. U elektronických analogových(tedy například bateriově napájených) je tato vlastnost odstraněna vstupním oddělovacím zesilovačem, ale s tím přibyla závislost na stavu baterie.
Digitální voltmetr se jako samostatný příruční měřící přístroj snad ani nedělá, ale je součástí každého digitálního multimetru. Tento měřící přístroj se blíží svýma parametrama ideálnímu měřícímu přístroji(vstupní odpor v rýdu jednotek až desítek MOhm). Oproti nalogovému vidíme na digitálním voltmetru poměrně okamžitě přesnou naměřenou hodnotu. To ovšem není výhoda u nestálé měřené veličiny.

Požadavky na voltmetry v automobilové diagnostice

Pro měření na automobilových systémech není třeba extrémně přesného voltmetru. Bohatě postačí běžný digitální multimetr s rozsahem měření napětí 200(400)mV až 1000V, vstupní odpor bývá 1(10)MOhm. Pro případ použití analogového voltmetru je vhodné použít nějaký s větším vnitřním odporem-buď mechanický s vnitřním odporem minimálně 100kOhm nebo lépe elektronický s vnitřním odporem 1 a více MOhm na rozsahu 10 a více V. Při měření by nám tedy měřící přístroj neměl ovlivňovat měřenou veličinu (což by například vnitřní odpor v řádu desítek kOhm ovlivňoval při měření napětí na připojením teplotním snímači, který sám má hodnotu třeba 10kOhm při 80°C).
Zvláští případ je třeba při měření napájení, kdy je vhodné použít tzv. zátěžový voltmetr. Pak malý vnitřní odpor měřidla je naopak výhodou. kdybychom v místech kde je požadováno tvrdý zdroj napětí měřili voltmetrem s velkým vnitřním odporem a na napájecí cestě by byl nežádoucí přechodový odpor, tak by voltmetr ukázal správnou hodnotu napětí, ale po přípojení spotřeiče by toto napětí kleslo pod únosnou mez a systém by nefungoval jak má. Tedy naše měření by bylo k ničemu. Zde je vhodné domopoct si pomocí připojení nějakého spotřebiče nebo zátěžového odporu. Hodnotu zatěžovacího proudu je vhodné zvolit podle požadavku na tvrdost napájecího napětí.
Jako voltmetr lze s výhodou použít multimetr

Zásady při měření voltmetrem

• Voltmetrem se vždy měří napětí mezi dvěma uzly v obvodu.
• Voltmetr připojíme s nastaveným co nejvyšším rozsahem až pak případně zmenšujeme rozsah, abychm odečetli lépe naměřenou veličinu. Pokud víme jaké napětí zhruba se v daném uzlu nachází vždy volíme rozsah větší než je předpokládané napětí.
• V případě bateriově napájeného přístroje musí být vždy baterie v kondici, aby případné nízké napájecí napětí přístroje neomezovalo měřenou hodnotu.

Ampérmetr

Stejně jako s voltmetrem je tomu i u ampérmetru. Takže vynechám popis rozdílu mezi digitálním a analogovým měřákem a rovnou se zaměřím na parametry a provedení ampérmetru. Ampérmetr měří další veličinu a tou je proud s jednotkou Ampér(A). Proud se zásadně neměří mezi dvěma body (uzly), ale v dané větvi. Splést si měření s ampérmetrem za měření s voltmetrem většinou znamená smrt pro měřák případně nepříjemný překvapení v podobě jisker a hořících drátů.
Ampérmetr tedy měří proud v určité větvi v obvodu. K tomu je třeba buď danou větev(kabel) rozpojit a do rozpojeného bodu vložit ampéretr nebo existují klešťové ampérmetry, které měří proud pomocí magnetického pole vyvářeného okolo vodiče při průchodu proudu. Zde je třeba neplést si střídavé a stejnosměrné klešťové ampérmetry. V ideálním případě má ampérmetr nulový vnitřní odpor, aby nijak neomezoval procházející proud při měření.
Jako ampérmetr na většinu měření můžeme použít multimetr

Zásady při měření Ampérmetrem

• Ampérmetrem se vždy měří proud v dané větvi (vodiči).
• Ampérmetr připojíme s nastaveným co nejvyšším rozsahem až pak případně zmenšujeme rozsah, abychom odečetli lépe naměřenou veličinu. Víme-li že proud nepřekročí daný hodnotu z daného rozdasu, tak můžeme zvolit i menší rozsah než je maximální před měřením.
• U ampérmetrů s volbou rozsahu nejen přepínačem, ale i volbou vstupní svorky je třeba při změně rozsahu zvolit a patřičnou vstupní svorku.
• Přestože některé ampérmetry jsou opatřeny vnitřní pojiskou neznamená, že pojistka ampérmetr ochrání přístroj před zničením.
• Pozor na nečekané zvýšení odběru při nastaveném malém rozsahu (například při měření odběru z akumulátoru: je nežádoucí při nastaveném malém rozsahu zapínat jakékoli spotřebiče s velkým odběrem-osvětlení, centrální zamykání a podobně).

Ohmmetr, tester vodivosti

Přístroj měřící elektrický odpor případně "průchodnost" vedení. V automobilové diagnostice může sloužit pro měření pasivních čidel(např. teplotní odporové snímače, potenciometry a podobně). Většina multimetrů mají rozsah ohmmetru od 200(400)Ohm do 20(40)MOhm, ovšem je zde potřeba dát si pozor na hlavně při měření malých odporů na rozlišení ohmmetru. Například na nejnižší rozsah 200(400) Ohm je rozlišovací schopnost ohmmetru 0,1Ohm to však neznamená, že změřený odpor například 0,3 Ohm je skutečně správná naměřená hodnota. Pro velmi malé odpory se používá čtyřvodičová metoda měření odporu pro eliminování odporů přívodních vodičů což běžné multimetry nemají. Je teda třeba uvědomit si, že měření velmi malých odporů (například přechodových odporů) je třeba provádět jinou metodou. Například zátěžovým testem s pomocí voltmetru a podobně. Stejný problém nastává u testu vodivosti (tzv. pípák). Většinou akustická signalizace průchodnosti signalizuje při odporu do 30ti Ohmů. Pro měřák sice takto malý odpor znamená, že obvod je průchodný ovšem pro případný procházející proud (který ve vodiči normálně je) může být tento odpor již velký. Takže je třeba uvědomit si co vlastně měříme.
Jako ohmmetr a tester vodivosti lze s výhodou použít multimetr

Teploměr

Přestože se to nezdá, tak je třeba mnohokrát měřit i teplotu (např. motoru, vody, vzduchu,paliva). Některé multimetry jsou vybaveni funkcí měření teploty pomocí termočlánku. Termočlánek je vhodná měřící sonda, protože je poměrně malý(snadno se ohřeje od měřeného objektu) a snese poměrně vysokou teplotu.
Teploměr najde své uplatnění například při kontrole správnosti funkce zabudovaného teploměru ve voze nebo u motorů, kde teploměr není (je jen kontrolka přehřátí motoru) při zjišťování teplot otevírající termostat, spínající větrák chlazení a podobně.

Teploměr je vhodné volit jako hrotové provedení. Hrot se přiloží k dobře tepelněvodivé ploše, aby byl přenos tepla co nejlepší.

Mutlimetr

Všechny předchozí zmiňované měřící přístroje může nahradit jeden multimetr. V dnešní době je výběr obrovský stejně tak rozpětí cen z jednotlivé multimetry. Je již na uvážení každého jaký přístroj zvolí a za jakou cenu. Já zde pouze uvedu základní požadavky z vlastních zkušeností.

Automatická nebo manuální volba rozsahů: pohodlnější práce při různých měřeních je při automatické volbě rozsahů. U volmetru to sice není tak důležité(většinou víme jaké napětí budeme měřit, tak není problém si rovnou zvolit správný rozsah), u ampérmetrů se stejně jedná o semi-automatickou volbu rozsahů, kdy velikost protékaného proudu musíme odhadnout a nejprve zvolit správnou zdířku(většinou volba rozsahu 200(400) mA a 10(20)A), takže i zde je nám automatická volba rozsahu téměř k ničemu. Ovšem u ohmmetru je to značná výhoda. Multimetr si sám zvolí rozsah od nevyššího do správného, kdy změřený údaj je zobrazen s největší přesností. Tato automatická volba rozsahů má zase menší nevýhodu a to jest časová náročnost při automatickém přepínání rozsahů. Pro tento případ je vhodné mít i možnost manuálního nastavení rozsahu. V souvislost s nastavováním rozsahů je třeba si všimnout i volby měření stejnosměrných a střídavých veličin. Některé multimetry mají volbu AC/DC pomocí tlačítka a po vypnutí přístroje jaksi "zapomenou" poslední nastavenou volbu a pak například nechtěně měříte stejnosměrné napětí na střídavém rozsahu(zákonitě zobrazí nulovou hodnotu). Takže i v tomto případě dávám předost volbě AC/DC pomocí otočného přepínače před stiskem tlačítka.

Ampérmetr, voltmetr: při měření proudu je u automobilu samozřejmě lepší mít co největší rozsah. Ovšem multimetry mají maximální rozsah 10(20)A. Tedy pro účely měření dobíjecího proudu, startovacího proudu si s multimetrem bohužel nevystačíme. Při výběru multimetru z pohledu měření proudu bych dbal na přítomnost pojistky pro měření na malém rozsahu(200/400)mA. U volmetru je tomu naopak. Zde vyhoví jakýkoli multimetr, protože na autě stejnosměrné napětí větší než 100V nenaměříme a střídavé také ne. Takže běžný rozsah 1000VDC a 750VAC bohatě stačí.

Ohmmetr, test průchodnosti a test diod: bohužel žádný běžný multimetr nemá menší rozsah při měření odporu než 200(400)Ohm. Tedy s přesností na 0,1Ohm. Tato přesnost je u automobilových měřeních někdy nedostatečná, takže si musíme pomáhat jinou metodou(viz. výše). Ovšem není divu, když na měření malých odporů se používá čyřvodičová metoda. Takže při výběru multimetru z hlediska měření odporu nic nevymyslíme. Je dobré pokud měřák disponuje funkcí měření diod. Ovšem i zde pozor na jeho parametry. Test diod většinou měří úbytek napětí na diodě v propustném stavu při velmi malém proudu. Takže se jedná o velice úzké měření říkající jen, že dioda vede při velmi malém proudu. Naopak při měření na diodě v závěrném stavu měří velmi malým napětím (cca 1 až 2V) takže nepoznáme jestli se dioda neproráží při větším napětí. Na toto je třeba dávat pozor u alternátorových diod. Poslední důležitou funkcí je test průchodností(tzv. prozváněčka/pípák). Akustická signalizace nám v tomto případě říká, že měřený odpor je velmi malý. Ovšem malý znamená asi menší než cca 30 Ohm. Je dobré volit multimetr tak, aby akustická signalizace byla velmi pohotová a reagovala téměř okamžitě bez zpoždění(důležité při rýchlém měření propojů ve více bodech).

Další funkce jako měření frekvence, kapacity a teploty jsou dobré doplňkové funkce i pro automobilovou diagnostiku. Kapacita se hodí pro měření kapacity kondenzátoru u kladivkového zapalování(zde je ještě vhodné změřit kondenzátor na průraz, ale na to je třeba alespoň megmet), měření frekvence se hodí pro měření periodických signálů(snímače otáček) a dobrou funkcí je zobrazení střídy signálu(hodí se pro měření PWM signálu). Poslední běžně dostupná funkce u multimetru je měření teploty. Její výhody jsem popsal výše. Dále je vhodné mít multimetr s funkcí automatického vypnutí(pro zabránění nechtěného vibití), funkce měření tranzistorů není třeba. Data HOLD a REL (zablokování naměřené hodnoty a zobrazení relativní naměřené hodnoty) jsem doposud při měření na autě nepoužil.

Otáčkoměr

Jeden z dalších potřebných přístrojů v automobilové diagnostice je otáčkoměr. U starších vozů je třeba zejména pro nastavení volnoběžných otáček a u vznětových motorů nastavení přeběhových otáček. Otáčkoměr je v drtivé většině součástí ostatních diagnostických přístrojů jako jsou stroboskopy, analyzátory výfukových plynů, multimetry pro automobilovou diagnostiku a podobně. Pro měření otáček se dá v dnešní době s výhodou použít i sériová diagnostika, kde v naměřených paramterech jsou uvedeny otáčky motoru.

Předstihoměr (stroboskop)

Předstihoměr je přístroj pracující na principu stroboskopického efektu. Krátký světelný impuls přesně ve chvíli zápalu jiskry odrazí světlo od rotující klikové hřídele/řemenice a značka na rotující části se opticky zastaví v místě proti stupnici na pevné části(nebo obráceně). Odečtením ze stupnice se zjistí okamžik zápalu(předstih). Dokonalejší předstihoměry mají regulační kolečko, kterým se okamžik záblesku časově posune oproti zápalu jiskry a obsluha si tímto kolečkem „vyrovná“ značku na řemenici přesně proti značce horní úvrati (HÚ nebo OT). Přístroj již sám dopočítá úhel posunu a zobrazí tuto hodnotu na displeji nebo analogovém měřáku. Pro tuto variantu přístroje není třeba mít na řemenici nebo na bloku motoru stupnici, stačí pouze značka horní úvrati.

Osciloskop

Zatímco voltmetr a ampérmetr je schopen měřit pouze ustálenou hodnotu napěí nebo proudu, tak osciloskop nám zobrazí přímo růběh signálu(napětí, proudu, teploty, střídy) v závislosti na čase. Je tedy možné sledovat průběh signálu ve velice krátkém čase nebo naopak dlohodobým měřením zjisti průběh signálu za dobu i několikaminutové zkušební jízdy.

Požadavky na osciloskop

Požadavky na osciloskop pro automobilovou diagnostiku můžou být různé. Já se zde pokusím uvést své požadavky vycházející z mé praxe při měření na automobilech. Jelikož v automobilových systémech je velmi málo periodických dějů s velkou frekvencí, tak zcela zavrhnu analogové osciloskopy. Sice může velice pomoct i analogový osciloskop, ale v dnešní době je již vhodnější využít digitální paměťový osciloskop

Jednokanál, dvoukanál, čtyř nebo osmikanál??? Při výběru osciloskopu pro automobil by se dalo jako první rozdělení použít počet kanálů. Jednokanálový osciloskop sice zobrazí měřený signál, ale bohužel na něm nelze zobrazit posloupnost několika dějů v jeden okamžik. Dá se tedy použít jednokanál pokud víme co a kde přesně měřit, ale když hledáme například závadu a víme jen okruh kde by se mohla nacházet, případně potřebujeme zobrazit souvislost více signálů (typicky měření synchronizace, regulace přeplňování, tlaku a pod.), tak je vhodné použít vícekanállový osciloskop.
Dvoukanálový osciloskop již dokáže zobrazit posloupnost více signálů najednou (například snímač polohy klikové hřídele vs. snímač polohy vačkové hřídele nebo okamžik zápalu jiskry). Ovšem chceme-li hledat závadu ve složitějším regulačním systému, tak je mnohdy třeba ještě více kanálů než dva.
Čtyřkanálový osciloskop je podle mě ideální a plně postačující verze osciloskopu pro naprostou většinu měření na automobilech. Je vhodný například při měření stavu motoru na základě tlakových sond, zapalování a vstřikování, hledání chyby v regulačním systému jako je například regulace tlaku v sání, regulace tlaku v zásobníku u systému commonrail a podobně. Jeden kanál se připojí na signál ukazující činnost celého systému(vstřikovač, jiskra,...), druhý kanál na regulační člen(elektromagnetický proporcionální ventil) a třetí kanál se připojí na zpětnou vazbu systému(snímač tlaku). Z těcho třech signálů se dá již velmi snadno zjistit reakci systému v době správné funkce a naopak naít problém při náhlém vynechání funkce. Časová posloupnost dějů přesně ukáže na vadnou oblast nebo prvek systému.
Osmikanálový osciloskop se může zdát jako velká výhoda (tzv. čím víc tím líp), ale nemusí tomu tak být. Hardwarové požadavky na osciloskop jsou poměrně velké a čím více aktivních kanálů tím větší tyto požadavky jsou. Dále je to velké kvantum dat při měření na hodně kanálech a chceme-li zachovat dostatečnou vzorkovací frekvenci při použití více kanálů, tak jsou tyto data ještě objemnější. Ve výsledku se může stát, že osmikanálový osciloskop vlivem špatné konstrukce část důležitých dat ignoruje(např. vliv malé vzorkovací frekvence) nebo dokonce zahltí připojený počítač daty a tím ho zpomaluje.

Při volbě osciloskopu bych si všímal následujících parametrů:

• Co nejvyšší vzorkovací frekvenci. Ideálně 10-20MS/s(milionů vzorků za sekundu). Můj minimální požadavek by byl alespoň 1MS/s. Dále otázka jestli se vzorkovací frekvence dělí při použití více kanálů při měření. Tuto vlastnost využijeme při měření rychlých dějů a vyšších frekvencí.
• Důležité jsou parametry vstupní části (vstupní impedance a kapacita, a hlavně šířka pásma). Vstupní impedance 1MOhm je v pořádku a vstupní kapacita standardně okolo 30pF. Šířka pásma alespoň 10-20MHz.
• K dlouhým záznamům: pokud možno co nejdelší možný záznam. Ale alespoň 5-10min záznamu A otázkou je jaká je vzorkovací frekvence při použití dlouhého záznamu s časovkou například 200ms/dílek nebo 1s/dílek. Ze zkušensoti je vhodné, aby osciloskop (v tomto případě rekordér) měl vzorkovací frekvenci alespoň 20kS/s, lépe však 100kS/s a více. Záleží na typu měření, délce záznamu a počtu měřených kanálů. Při nevhodném nastavení nám můžou být naměřená data k ničemu nebo naopak zbytečně podrobná a zabírající mnoho místo v podobě záznamu.
• Výhodou speciálních automobilových osciloskopů (autoskopů,rekordérů a pod.) jsou speciální funkce pro analýzu jednotlivých dějů. Nastavení použitých sond (tlakové,kapacitní, proudové,...). Za pomocí těchto sond je možné celkem slušně zmapovat jednotlivé děje i mechanického rázu v motoru.

Analyzátor výfukových plynů

Analyzátor výfukových plynů benzínových motorů je přístroj měřící množství emisí ve výfukových plynech. Mohou být jednosložkové (měřící například pouze obsah uhlovodíků nebo pouze obsah oxidu uhelnatého) a vícesložkové měřící obsah oxidu uhelnatého (% CO), uhlovodíků (ppm HC), kyslíku (%O2), oxidu uhličitého (%CO2), součinitel přebytku kyslíku (lambda), oxidy dusíku (%NOX), teplotu oleje a otáčky motoru. Pro měření obsahu CO, CO2 a HC se využívá schopnosti plynu pohlcovat paprsky infračerveného světla určité vlnové délky. Tedy výfukové plyny jsou v určitém množství puštěny do komory se zdrojem infračerveného záření a detektory určitých vlnových délek. Různé složky plynu pohlcují světlo určité vlnové délky (např. CO vlnová délka cca 4,5 µm, HC 3,5 µm, CO2 4,2 µm ) a pokles intenzity prošlého světla je úměrný obsahu určité složky výfukového plynu. Obsah kyslíku se měří odděleně pomocí elektrochemického článku zatíženého odporem, na kterém se snímá úbytek napětí. Tedy chemický článek funguje jako zdroj proudu. Analyzátor se před použitím musí nejprve zahřát na provozní teplotu a zkalibrovat přes aktivní uhlí.
Naftové měřiče kouřivosti měří obsah pevných částic (opacita %N) ve výfukových plynech pomocí opacimetru. Opacimetr je měřící komora se zdrojem infračerveného záření na jednom konci a detektore záření na druhém konci. Opacita je procentuální hodnota pohlcení světelného záření na pevných částicích (sazích) ve výfukových plynech. Před použitím je třeba opacimetr zahřát a zkalibrovat.

Příslušenství

Příslušenství k měřícím přístrojům je nezbytnou součástí pro měření. Ke každému měřáku jsou třeba různé propojovací a měřící kabely a redukce. Pro měření v automobilové diagnostice se setkáme většinou s banánkovými konektory (banánky o průměru 4mm) nebo s BNC konektory, vyjímečně s CINCH konektory. Tyto konektory jsou na straně měřících přístrojů nebo měřících přípravků. Na druhém konci je již třeba přizpůsobit měřící sondu měřenému obvodu. Zde využijeme například různé měřící jehly, háčky, kabelové odbočky se speciálními konektory a podobně. A aby to nebylo tak jednoduché, tak jsou ještě mnohdy použít i regukce na straně měřících přístrojů(například redukce BNC-M na banánky a podobně).
Banánek nebo BNC konektor: dle mě je důležité dodržovat pravidla pro správné měření tedy i využívat k tomu dostupné měřící kabely. Pro měření statických veličin(napětí, proudu a odporu multimetrem) si vystačíme s obyčejnými měřícími kabely opatřenými banánky. Je vhodné používat sňůry s tzv. průchozímy banánky-tedy koncovka obsahuje kolík i zdířku pro možné napojení více kabelů do jednoho uzlu. Zde je třeba dbát jen na elektrickou izolaci kabelů a používat vodiče dimenzované na případný měřený proud. V automobilové diagnostice nepotřebujeme mít vodiče s izolační pevností větší než 500V. Ovšem mnohdy je třeba použít vodiče s větším průřezem pro přenos většího proudu. Velký proud vodičem s malým průřezem může způsobit popáleniny nebo požár.
Pro měření malých signálů je již třeba použít stíněné měřící kabely. Ideálně co nejdelší část kabelu s koaxiálním kabelem a teprve na konci například banánek s měřícím hrotem. V automobilové diagnostice většinou není třeba použít měřící osciloskopickou sondu 1:10, protože buď měříme signály s malou šířkou pásma(harmonické průběhy) nebo v případě měření signálu s velkou šířkou pásma(neharmonický impulsní průběh) měříme výkonový signál, který nezatlumíme nepoužitím osciloskopické sondy. Takže si vystačíme s koaxiálními kabely zakončenými banánkem.
Další příslušenství jako jsou redukce, měřící hroty, háčky, kabelové odbočky a podobně musíme volit podle okamžité situace. Je vhodné mít malé měřící jehly(průměr cca 0,8 nebo 1,2mm) pro "napichování" konektorů ze zadní strany okolo izolačních průchodek pro měření na snímačích nebo aktuátorech bez použití kabelových odboček. Nikdy však nenapichujeme izolaci přívodního kabelu. Tím se poruší těsnost a kabel může uvnitř exidovat až dojde k jeho přerušení. Dále je vhodné mít ještě větší jehly(cca průměr 2mm) pro napichování neizolovaných konektorů ze zadní strany.

15.12.2010 (doplněno 18.2.2016) Jiří Blecha(doplněno 17.11.2014)