Датчик температуры двигателя. Как работает датчик температуры

Во многих случаях используется «разрывное» соединение. Измерительное устройство подключается через проводник того же типа, что и клемма (обычно медный). Это означает, что холодное подключение к точке подключения отсутствует. Она образуется только в месте соединения проволоки с термическим электродом. На рисунке 7 показана схема такого соединения.

Датчики температуры. Типы, устройство, принцип работы. Схемы подключения

Контроль температуры используется повсеместно в техническом процессе, чтобы можно было отслеживать изменения соответствующего режима или состояния материала. Контроль температуры одинаково важен при эксплуатации печи на кухне или куска расплавленной стали, поскольку любое отклонение от нормальных условий работы может привести к несчастным случаям и травмам. Чтобы избежать неприятных последствий и обеспечить контроль степени нагрева, используются датчики температуры.

В процессе развития и совершенствования технологии датчики температуры как измерительные устройства претерпели множество модификаций и модернизаций. Сегодня доступны различные типы, которые можно разделить по разным критериям. Например, различают цифровые и аналоговые устройства, в зависимости от способа передачи данных измерения температуры. Цифровые устройства являются более современными, поскольку они имеют дисплей и осуществляют электронную связь. Аналоговые приборы имеют циферблатный экран и электрический или механический метод измерения.

В зависимости от принципа действия все датчики можно разделить следующим образом

• термоэлектрические;
• полупроводниковые;
• пирометрические;
• терморезистивные;
• акустические;
• пьезоэлектрические.

Термоэлектрические

Термоэлектрические датчики основаны на принципе теплоты (см. рис. 1) — все металлы обладают определенной жизненной силой (количество свободных электронов на внешних индивидуальных орбиталях, не вовлеченных в жесткие связи). Если существует внешний фактор, придающий дополнительную энергию свободным электронам, индивид может быть покинут, создав движение заряженных частиц. В случае нагрева двух металлов с разными потенциалами отказа от электронов и последующих точек соединения разность потенциалов называется эффектом Зеебека.

Рис. 1.Конструкция тепловой величины

На практике существуют различные типы термоэлектрических датчиков температуры, и в соответствии с разделом 1.1 ГОСТ Р 50342-92 ими являются

• вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР) – применяется в средах с большой рабочей температурой порядка 2000°С;
• платинородий-платинородиевые (ТПР) – отличаются высокой себестоимостью и высокой точностью измерений, применяются я в лабораторных измерениях;
• платинородий-платиновые (ТПП) – оснащаются защитной трубкой из металла и керамической изоляцией, обладают высоким температурным пределом;
• хромель-алюмелевые (ТХА) – широко применяются в промышленности, способны охватывать диапазон температуры до 1200°С, используются в кислых средах;
• хромель-копелевые (ТХК) – характеризуются средним температурным показателем, монтируются только в неагрессивных средах;
• хромель-константановые (ТХК) – актуальны для газовых смесей и разжиженных аэрозолей нейтрального или слабокислого состава;
• никросил-нисиловые (ТНН) – применяются для устройств среднего температурного диапазона, но обладают длительным сроком эксплуатации;
• медь-константановые (ТМК) – характеризуется наименьшим пределом измерений до 400°С, но отличается устойчивостью к влаге и некоторым категориям агрессивных сред;
• железо-константановые (ТЖК) – применяются в среде с разжиженной атмосферой или вакуумного пространства.

Схемы подключения

Основные различия в соединениях датчиков температуры обусловлены их ассортиментом и конструктивными особенностями. Поэтому в данной статье мы рассмотрим некоторые из наиболее распространенных и интересных вариантов. Это подключения к двухконтурным и трехконтурным кабельным цепям.

Рис. 5: Схема двухкабельного соединения

На рисунке 5 показано подключение двух кабелей измерительного оборудования. Этот принцип рекомендуется использовать для всех температурных датчиков, расположенных на небольшом расстоянии от контролируемого объекта. Поскольку сопротивление самого датчика, r_t незначительно изменяет сопротивление соединительного кабеля r₁ и р₂тем самым минимизируя изменения в измерениях.

Рис. 6: Схема подключения трех кабелей

При больших расстояниях, начиная со 150 м, датчик должен быть подключен к трехкабельной цепи. Это уменьшает погрешность измерения из-за сопротивления до r₁, r₂, r₃.

Рис. 7.Схема подключения датчика температуры двигателя

Почти во всех современных автомобилях параметры температуры двигателя постоянно контролируются. Поэтому использование датчиков является важным требованием безопасности. Согласно двухкабельным схемам (рис. 7), датчик подключен к кабелю, который соединен с другой системой открывания капота, не подключенной к цепи. Второй кабель подключается к блоку сигнализации в порядке, указанном в зависимости от модели.

Рисунок 8: Схема подключения цифрового датчика температуры

На рисунке 8 показан пример подключения цифрового датчика Dallas. Это модель с тремя клеммами, где первая клемма подключена к клемме заземления подруги в соответствии с распиновкой GND, вторые данные на клемме pin 2, вторые данные с питанием +5 В. Между третьей и второй клеммами включен резистор 4,7 К.

Примение

Области применения датчиков температуры варьируются от бытовых приборов до общепромышленного, сельскохозяйственного, военного и аэрокосмического оборудования. Дома их можно встретить в котлах, печах, мультиварках, духовках и других нагревательных приборах.

В тяжелой промышленности тепловые датчики могут использоваться для контроля тепла в печах, воздуха на рабочих местах и состояния обрабатываемых поверхностей. В медицине они используются для контроля температуры в труднодоступных местах или для упрощения различных процедур.

Многие автомобилисты часто сталкиваются с температурными анализаторами, контролирующими состояние масла или других охлаждающих жидкостей. В железнодорожной сети они контролируют нагрев осей и колес. В энергетической промышленности они используются для проверки контактных соединений и качества склеивания.

Все вышеперечисленные типы датчиков широко используются в той или иной степени в различных технических процессах. Кроме этих, существуют и другие типы температурных датчиков. Он бывает акустическим или пиратским, но я не буду их анализировать, так как редко с ними сталкивался.

Датчик температуры двигателя

Датчик температуры двигателя. Датчик температуры воздуха на входе Датчик температуры воздуха на входе Двигатель. Существует несколько типов систем управления двигателем, и их компоновка может сильно различаться. Однако датчики температуры охлаждающей жидкости необходимы в системах управления двигателем. В большинстве систем используется датчик температуры воздуха на входе.

Внешний вид датчика температуры охлаждающей жидкости (слева) и датчика температуры впускного воздуха (справа).

ЭБУ двигателя регулирует состав смеси, обороты холостого хода двигателя и угол опережения зажигания в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Влияние показаний датчика температуры охлаждающей жидкости на систему управления двигателем очень важно. Например, если рассчитанная блоком управления двигателем температура охлаждающей жидкости двигателя не соответствует фактической температуре охлаждающей жидкости двигателя на значительный процент из-за неисправности, двигатель может не остановиться/запуститься. Большинство датчиков температуры всасываемого воздуха по конструкции и принципу действия аналогичны датчикам температуры охлаждающей жидкости. В зависимости от температуры всасываемого воздуха модуль управления двигателем слегка корректирует состав смеси. Влияние датчиков температуры всасываемого воздуха на систему управления двигателем особенно заметно в системах, в которых не используются датчики расхода воздуха.

Принцип действия датчиков температуры двигателя

В датчиках температуры охлаждающей жидкости и большинстве датчиков температуры всасываемого воздуха двигателя используются термисторы с отрицательным температурным коэффициентом. При повышении температуры датчика температуры двигателя его сопротивление уменьшается. Датчики температуры охлаждающей жидкости установлены в потоке охлаждающей жидкости двигателя. При низких температурах охлаждающей жидкости сопротивление датчика температуры охлаждающей жидкости выше (3,52 kQ при +20°C). При более высоких температурах сопротивление ниже (240 Q при +90 °C). Напряжение 5 В подается на датчик температуры двигателя модулем управления двигателем через резистор в модуле управления двигателем с постоянным электрическим сопротивлением. Второй кабель датчика подключен к земле.

Принципиальная схема датчика температуры двигателя с термистором в качестве чувствительного элемента. ECU блок управления двигателем.

1. Точка подключения зажима типа «крокодил» осциллографического щупа.
2. Точка подключения пробника осциллографического щупа для получения осциллограммы выходного напряжения датчика.
3. Датчик температуры.
4. Выключатель зажигания.
5. Аккумуляторная батарея.

Датчик температуры двигателя определяет опорное напряжение, которое ниже напряжения датчика. При повышении температуры охлаждающей жидкости (например, при прогреве двигателя) напряжение на обоих концах датчика уменьшается, поскольку сопротивление датчика снижается. ЭБУ двигателя рассчитывает текущую температуру охлаждающей жидкости двигателя на основе этого напряжения.

Характеристика датчика температуры охлаждающей жидкости.

Температура, °С	Сопротивление, Q ± 2%
-40	100 700
-30	52 700
-20	28 680
-15	21 450
-10	16 180
-4	12 300
0	9 420
+5	7 280
+10	5 670
+15	4 450
+20	3 520
+25	2 800
+30	2 240
+40	1 460
+45	1 190
+50	970
+60	670
+70	470
+80	330
+90	240
+100	180
+130	70

Наиболее распространенной неисправностью термисторных датчиков температуры двигателя как чувствительных элементов является несоответствие между электрическим сопротивлением и температурой корпуса. Реже происходит разрыв элемента датчика, поскольку в очень узком диапазоне температур датчика (или многих температур) электрическое сопротивление датчика быстро увеличивается. Температура корпуса датчика попадает в этот диапазон, но сопротивление датчика быстро увеличивается, тем самым увеличивая напряжение датчика. В результате значение температуры, рассчитанное блоком управления на основе увеличенного напряжения датчика, будет ниже, чем фактическое напряжение датчика. Если показания блока управления температурой охлаждающей жидкости двигателя значительно отстают от фактической температуры, блок управления может увеличить количество топлива достаточно значительно, чтобы остановить двигатель для расширения супер до топливной смеси. Запуск двигателя невозможен. В некоторых случаях может потребоваться замена свечей зажигания. Повреждение датчика температуры может быть обнаружено в случае неисправности путем сравнения измеренного значения сопротивления датчика температуры со значением, указанным в таблице для данной температуры.

Если необходимо проверить датчик температуры, следует проверить форму выходного напряжения датчика во всем диапазоне рабочих температур. При проверке датчика температуры дайте двигателю полностью остыть, запишите и проверьте осциллограмму выходного напряжения датчика, пока двигатель прогревается (или пока двигатель не будет остановлен из-за диагностики неисправного датчика).

Форма напряжения неисправного датчика температуры охлаждающей жидкости. Предварительный прогрев холодного двигателя на холостом ходу. По мере прогрева двигателя напряжение датчика снижается плавно, без судорог и проседаний.

Все пожарные счетчики отличаются от обычных люминесцентных растворов, датчиков с раствором, которые меняют цвет в зависимости от температуры.

Термопары как измерительные температурные датчики

Термосы — самый распространенный тип температурных датчиков. Термосы как датчики температуры популярны благодаря целому ряду факторов.

• несложному устройству,
• простоте использования,
• скорости реакции,
• малогабаритным размерам.

Термокачество — это очень неадекватная температура между всеми существующими температурными датчиками (от -200ºC до 2000ºC). Этот тип теплотворной способности традиционно основан на соединении двух разломов — медного и беспозвоночного, которые свариваются или сжимаются, образуя единое соединение.

Начальный термоз: J1 — горячее подключение — J2 — холодное подключение — 1 — металлический чугун — 2 — металлический стабильный — 3 — тепловой поток — V1, V2 — разность напряжений — VC — выходное напряжение.

Часть соединения называется ссылочной связью (холодное соединение). Другая часть — измерительное соединение (теплое). Если два контакта имеют разную температуру, напряжение используется на пересечении, используемом для измерения температурного датчика, как показано ниже.

Принцип работы датчика температуры — термопары

Принцип работы Thermose прост. Слияние двух различных металлов создает «термоэлектрическое» явление, которое дает стабильную разницу в несколько миллисекунд (MV).

Разность напряжений между двумя контактами известна как «эффект Зеебека». Из-за градиента температуры вдоль проводящих контактов, составляющих ADR, выходное напряжение термопары зависит от изменений в окружающей среде.

Если оба контакта находятся в одинаковой среде, то разность потенциалов между ними равна нулю. Другими словами, если V1 = V2, то напряжение отсутствует. Однако если соединения соединены в цепь и находятся при разных температурах, ситуация меняется.

На выходе имеется напряжение, соответствующее разнице между значениями двух ветвей V1 — V2. Эта разница напряжений увеличивается с ростом температуры до тех пор, пока напряжение переключения не достигнет максимума. Это определяется свойствами двух различных разнородных металлов.

Конструкция вариантов датчиков термопар: 1 — разветвление — 2 — специальная проводка типа «J» — 3 — оболочка из нержавеющей стали — 4 — регулируемые уплотнительные компоненты — 5 — арматура из нержавеющей стали.

Термопары изготавливаются из самых разных материалов и могут измерять экстремальные температуры в диапазоне от -200°C до +2000°C. Из-за такого широкого разнообразия материалов и диапазонов измерений были разработаны международно признанные стандарты с цветовыми кодами термопар.

Цветовой код позволяет пользователю выбрать подходящий термопарный датчик температуры для конкретного применения. В следующей таблице приведены примеры стандартных цветовых кодов термопар Великобритании.

Код	Проводники + / —	Рабочий диапазон, °C	Маркировка цветом
E	нихром / константан	— 200 … + 900	коричневый
J	железо / константан	0 …+ 750	чёрный
K	нихром / алюмоникель	— 200 … + 1250	красный
N	никросил / нисил	0 … + 1250	оранжевый
T	медь / константан	— 200 … + 350	синий
U	Медь / никелин	0 … + 1450	зелёный

Другие приборы подобного типа

Другие типы датчиков, не перечисленные здесь, включают.

• полупроводниковые контактные датчики,
• инфракрасные датчики,
• датчики теплового излучения,
• термометры медицинского назначения,
• индикаторы цветных чернил или красителей.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Z-Sila — публикация материалов, представляющих интерес для общества. Новости о технологиях, исследованиях и экспериментах в глобальном масштабе. Междисциплинарная социальная информация — медиа.