Come funziona un sensore di pressione dei pneumatici? Comprensione del TPMS diretto e indiretto

Un conducente sta viaggiando a 70 mph quando il cruscotto mostra un'icona gialla della pressione dei pneumatici. Il pneumatico non è visibilmente sgonfio e il veicolo si comporta ancora normalmente. Quello che è successo è che un sensore di pressione MEMS montato all’interno della ruota ha rilevato che la pressione assoluta era scesa da una linea di base di 2,2 bar a circa 1,9 bar. Quel sensore convertiva la pressione fisica in tensione, la digitalizzava e la trasmetteva a 433,92 MHz al modulo di controllo della carrozzeria, che poi faceva scattare l'allarme. Questo scenario si ripete milioni di volte ogni giorno sulle strade di tutto il mondo. Sapere come funziona un sensore di pressione dei pneumatici non è solo una curiosità ingegneristica; è la base per scegliere il componente giusto e per progettare un affidabile sistema di monitoraggio della pressione automobilistica.

Cosa misura effettivamente un sensore di pressione dei pneumatici

Un sensore di pressione dei pneumatici misura la pressione assoluta dell'aria all'interno della cavità del pneumatico, in genere in un intervallo compreso tra 100 e 400 kPa (da 1,0 a 4,0 bar) e trasmette tale lettura in modalità wireless all'ECU del veicolo con una risoluzione di circa 1 kPa.

L'elemento sensibile è un chip sensore di pressione MEMS: un piccolo stampo di silicio con un sottile diaframma reattivo. Quando la pressione dell'aria del pneumatico preme contro questo diaframma, la membrana si piega di pochi decimi di micrometro. Quella deflessione meccanica è l'evento fisico che alla fine diventa il numero sul tuo cruscotto. Il sensore è costruito come un dispositivo di pressione assoluta perché deve confrontare la pressione interna del pneumatico con un riferimento di vuoto sigillato. La pressione atmosferica cambia con l'altitudine e le condizioni meteorologiche, quindi un riferimento del manometro introdurrebbe errori fino a 30 kPa in una singola unità.

Come il chip MEMS converte la pressione in dati

La conversione dalla deflessione meccanica ai dati digitali segue una catena in quattro fasi: spostamento del diaframma, variazione di resistenza attraverso un ponte di Wheatstone, condizionamento del segnale analogico e trasmissione in radiofrequenza.

• Deflessione del diaframma: un bar di pressione sposta un tipico diaframma in silicio da 0,5 a 1 micrometro.
• Ponte di Wheatstone: gli elementi piezoresistivi disposti sulla membrana modificano la resistenza dall'1 al 3% sull'intera scala di pressione.
• Condizionamento del segnale: un ASIC amplifica la tensione del ponte, applica la compensazione della temperatura ed elabora il risultato in dati digitali da 10 a 12 bit.
• Trasmissione RF: il frame elaborato viene modulato su una portante 433,92 MHz o 315 MHz e trasmesso all'unità ricevente.

La temperatura è la variabile più grande che altera la lettura della pressione. Un sensore calibrato a 20 C vedrebbe un aumento della pressione dell'aria di 50 kPa nell'intervallo mostrato sopra. Senza compensazione, un’unità non compensata segnalerebbe in una mattina d’inverno un valore troppo basso di circa 20 kPa, sufficiente a far scattare un falso allarme.

Per uno sguardo più ampio alla tecnologia alla base di questi dispositivi, consulta questa guida Sensori di pressione MEMS .

TPMS diretto e indiretto: differenze tra i due approcci

Il TPMS diretto utilizza un sensore di pressione fisica in ciascuna ruota. Il TPMS indiretto utilizza i sensori di velocità delle ruote ABS esistenti del veicolo per stimare la pressione. Solo il TPMS diretto restituisce un valore di pressione reale.

La maggior parte dei veicoli moderni utilizza il TPMS diretto perché fornisce una lettura accurata per ciascun pneumatico, fondamentale per rilevare perdite lente e prevenire l'usura irregolare del battistrada. La stessa tecnologia dei sensori di pressione MEMS appare anche in sensori di pressione nei veicoli moderni oltre il TPMS, compreso il monitoraggio della pressione dell'olio e i sistemi frenanti.

Quattro specifiche che determinano la scelta del sensore di pressione dei pneumatici

Intervallo di pressione, precisione, segnale di uscita e confezionamento sono i quattro parametri che determinano se un sensore di pressione dei pneumatici funzionerà in modo affidabile sul campo.

Per un'autovettura che funziona a una pressione compresa tra 2,2 e 2,5 bar, la soglia di allarme è normalmente impostata al 25% al di sotto della pressione consigliata dal produttore. Un intervallo compreso tra 0 e 4 bar copre tale applicazione senza diventare così ampio da sacrificare la risoluzione del sensore.

La precisione è il vincolo successivo. Uno scostamento di 0,3 bar potrebbe nascondere una perdita lenta o produrre un falso allarme, motivo per cui i migliori sensori di pressione MEMS di livello automobilistico raggiungono /-0,2% del campo di fondo scala. Su un sensore da 4 bar, si tratta di circa 8 kPa di tolleranza di errore.

Il segnale di uscita è il terzo punto decisionale. L'uscita di tensione analogica nell'intervallo da 0,5 a 4,5 V è semplice e ampiamente utilizzata, mentre le uscite digitali come I2C e SPI riducono la suscettibilità al rumore elettromagnetico nel cablaggio del veicolo. Per il TPMS diretto in un percorso ad alte vibrazioni, i segnali digitali sono sempre più preferiti.

L'imballaggio determina la facilità con cui il sensore può essere integrato nella valvola del pneumatico o nel cerchione. I pacchetti DIP e SIP supportano il montaggio su PCB, mentre i pacchetti SOP sono comuni quando il sensore si trova nel gruppo dello stelo della valvola. Il dispositivo deve inoltre resistere a livelli di vibrazione di circa 50 g a frequenze fino a 1 kHz.

Sensori di pressione assoluta MCP-J10, MCP-J11 e MCP-J12 per uso automobilistico Questi sensori di pressione assoluta calibrati offrono un'uscita analogica o digitale, misurano fino a 4 bar e sono compensati in temperatura sull'intero arco del veicolo, rendendoli adatti ai sistemi di monitoraggio della pressione dei pneumatici. Visualizza il prodotto →

MemsTech, con sede nella zona nazionale di sviluppo industriale high-tech di Wuxi, costruisce sensori di pressione automobilistici attorno a questi requisiti. Le serie MCPJ10, MCPJ11 e MCPJ12 sono sensori di pressione assoluta con un intervallo di misurazione da 0 a 4 bar, disponibili sia nella versione con uscita analogica che digitale, e il loro processo di calibrazione copre l'intero intervallo di temperatura del veicolo.

Perché la compensazione della temperatura è fondamentale in un sensore di pressione dei pneumatici

La temperatura all'interno di uno pneumatico può variare da -40 C in un parcheggio invernale a 80 C a velocità autostradale. Se il sensore non viene compensato, questa deriva da sola può introdurre un errore da 15 a 20 kPa, sufficientemente grande da attivare un falso avviso di bassa pressione.

Ogni unità è calibrata in fabbrica su diversi punti di temperatura. I coefficienti di compensazione vengono memorizzati nell'ASIC interno del sensore durante la produzione, quindi l'output finale viene corretto automaticamente man mano che il pneumatico si riscalda e si raffredda. MemsTech segue questo processo all'interno della sua struttura di 2.000 metri quadrati, con capacità interne che coprono imballaggio, saldatura, compensazione della temperatura e calibrazione delle prestazioni. Ogni dispositivo viene testato a zero e su vasta scala prima della spedizione per garantire la coerenza del lotto.

Sensore di pressione serie MCP-J20 per applicazioni su collettori automobilistici e motociclistici Progettata per il rilevamento della pressione del collettore di aspirazione di auto e moto, questa serie fornisce un'uscita analogica con intervalli opzionali fino a 1.000 kPa ed è calibrata per la precisione senza calibrazione da parte del cliente. Visualizza il prodotto →

La serie MCPJ20 estende la stessa architettura di rilevamento assoluto a una serie più ampia di applicazioni automobilistiche, comprese le piattaforme SUV e autocarri leggeri più grandi con pressioni di gonfiaggio a freddo più elevate.

Domande frequenti

Quanto dura la batteria del sensore di pressione dei pneumatici?

I sensori TPMS diretti sono unità sigillate con una durata della batteria da 5 a 10 anni. Quando la batteria è scarica, è necessario sostituire l'intero gruppo sensore, poiché la batteria non è riparabile all'interno di un'unità valvola sigillata.

Posso sostituire un sensore di pressione dei pneumatici senza cambiare lo stelo della valvola?

Nella maggior parte dei sistemi TPMS diretti, il sensore è integrato con lo stelo della valvola. Alcuni kit aftermarket consentono la sostituzione del solo sensore, ma la sostituzione dell'intero gruppo è la procedura di servizio standard ed è più affidabile.

Quale pressione dei pneumatici dovrebbe leggere un sensore TPMS?

Per la maggior parte delle autovetture, la pressione consigliata per gli pneumatici a freddo è compresa tra 2,2 e 2,4 bar (da 32 a 35 psi). La soglia di avviso TPMS è generalmente impostata a circa il 25% al ​​di sotto di tale raccomandazione.

Perché la spia TPMS si accende quando fa freddo?

Contratti di aria fredda. Per un calo di 10 C della temperatura ambiente, la pressione dei pneumatici può diminuire di 7-10 kPa. Se il pneumatico era già vicino alla soglia di allarme, questo calo è sufficiente per attivare l'allarme.