Датчики температуры

Во время работы транспортных средств возникают температуры, которые приведены в табл. 3.1

Датчик температуры подключен к блоку управления двигателя (ЭБУ). Контроллер подает опорное напряжение (обычно 5 вольт) и постоянно отслеживает сигнал датчика температуры. Основываясь на этом сигнале, ЭБУ регулирует рабочие характеристики двигателя и включает вентиляторы радиатора, когда температура достигает определенного уровня.

В современных транспортных средствах (а также и в различных электронных устройствах) используются датчики температуры, чувствительным элементом в которых выступает терморезистор (или термистор). Терморезистор (термистор) — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого зависит от его температуры. Существуют термисторы с отрицательным и положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), у приборов с отрицательным ТКС сопротивление падает с ростом температуры, у приборов с положительным ТКС — напротив, повышается. В автомобилях обычно используются термисторы, имеющие отрицательный температурный коэффициент сопротивления (NTC – negative temperature coefficient). Сопротивление таких термисторов может быть от нескольких кОм при 0, до сотен Ом при 100 °С. Такой диапазон измерения температур достаточен и удовлетворителен для большинства автомобильных нужд. Однако, там, где необходимо измерять большие температуры (свыше 100 °С), используются и PTC термисторы (позисторы) c положительным температурным коэффициентом (PTC — positive temperature coefficient). Сегодня чаще всего применяются термисторы с отрицательным ТКС, как более удобные и дешевые.

Спеченные керамические резисторы (NTC) (термопроводники) изготавливаются из оксидов тяжелых металлов и оксидированных смешанных кристаллов (спекаются в гранулу или пластинку) и относятся к полупроводниковым материалам с обратно-экспоненциальной характеристикой. Высокая термическая чувствительность ограничивает их применение температурами в диапазоне от -40 до 850°С.

Тонкопленочные металлические резисторы (РТС), объединенные на одной пластине-подложке с двумя дополнительными температурно-нейтральными подстроечными резисторами, обладают большим сроком службы и высокой точностью, поскольку после изготовления могут «настраиваться» лазерами на нужную характеристику с минимальными допусками. Схематическое изображение резистора показано на рис. 3.40.

Послойная технология позволяет применять керамику, стекло, пластиковую пленку в качестве основного материала и пластик, краску, уплотнительную фольгу, стекло, керамику в качестве покрытия. Металлические пленки менее чувствительны к изменениям температуры, чем керамико-оксидные полупроводниковые датчики.

Полупроводниковые датчики (рис. 3.41) имеют такие преимущества как линейность характеристики, стабильность результатов.

Толстопленочные резисторы (PTC/NTC) с высоким удельным сопротивлением (малой площадью поверхности) и положительными и отрицательными температурными коэффициентами в температурных датчиках используются, главным образом, с целью компенсации. Они имеют нелинейные характеристики (однако, без экстремальной кривизны массивных резисторов NTC) и допускают лазерную подстройку. Эффективность измерения можно повысить, формируя в материалах NTC и РТС цепи делителей напряжения.

Монокристаллические кремниевые полупроводниковые резисторы (РТС) производятся из монокристаллических полупроводниковых материалов, таких как, кремний, что позволяет объединить дополнительные активные и пассивные цепи в кристалле датчика.

Чувствительность измерения у такого датчика в два раза больше, чем у платинового резистора (ТК = 7,73 • 10-3/К). Однако характеристика менее линейна, чем у металлического датчика.

Примерами являются следующие датчики: датчик температуры охлаждающей жидкости;датчик температуры воздуха, поступающего в цилиндры двигателя; датчик температуры мочевины поступающий в выпускную систему отработавших газов и др.

Датчик температуры охлаждающей жидкости установлен в блок цилиндров. Измерительная часть датчика погружена в охлаждающую жидкость. Электронный блок управления использует значение температуры для того, чтобы определить, какой из трех вариантов работы системы облегчения запуска подходит для данного состояния и соответственно регулирует величину подачи топлива. Конструктивно все автомобильные датчики охлаждающей жидкости принципиально одинаковы. Основу конструкции составляет металлический корпус 1 (баллон) из латуни (рис. 3.42), бронзы или иного коррозионностойкого металла. Корпус выполнен таким образом, что его часть контактирует с потоком охлаждающей жидкости — здесь располагается термистор 4, который дополнительно может прижиматься пружиной (для более надежного контакта с корпусом). В верхней части корпуса располагается контакт (или контакты) для включения датчика в соответствующую цепь электросистемы транспортного средства. На корпусе также нарезана резьба и выполнен шестигранник под ключ для монтажа датчика в систему охлаждения двигателя.

а) схема размещения датчика; б) схема включения термистора; в) зависимость сопротивления термисторов от температуры; 1 – корпус; 2 – вывод; 3 – пружина; 4 – терморезистор U_Вх – напряжение питания; U_Вых – падение напряжения на датчике; R_т – изменяющееся напряжение термистора; R – добавочное сопротивление; tº – температура.

Термисторы изготавливаются из полупроводников, например, окиси никеля или окиси кобальта. При увеличении температуры в полупроводнике количество свободных электронов увеличивается и уменьшается электрическое сопротивление. Термисторы имеют высокую чувствительность зависимости сопротивления от внешней температуры – относительно небольшие изменения температуры приводят к значительным изменениям сопротивления.

На рис. б показана простейшая схема преобразователя температуры в напряжение. Напряжение питания UВх должно быть стабильным, а рабочий ток не должен нагревать термистор, иначе будут возникать дополнительные погрешности. Температура подобного термистора увеличивается на 1 °С на каждые 1,3 мВт рассеиваемой мощности.

При низкой температуре охлаждающей жидкости датчик имеет высокое сопротивление (100 кОм при -40 °С), а при высокой температуре – низкое (70 Ом при 130 °С). ЭБУ подает на датчик через сопротивление определенной величины напряжение UВх 5 В (образуя таким образом делитель напряжения) и измеряет падение напряжения на датчике UВых, по которому определяет температуру охлаждающей жидкости.

Аналогичные датчики применяются для определения температуры воздуха и мочевины.

Тербометаллические датчики температуры. В датчиках температуры на основе биметаллического чувствительного элемента (рис. 3.43) используется свойство различных металлов по-разному изменять свои линейные размеры в зависимости от температуры. Изгиб (перемещение) пластины замыкает или размыкает контакты, или перемещает движок потенциометра. В первом случае реализуется дискретный, а во втором – аналоговый датчик температуры.

Термобиметаллические датчики применяются как в сигнализирующих, так и указывающих приборах импульсной системы.

Основной частью термобиметаллического датчика является тонкая двух­слойная пластинка, выполненная из двух слоев металлов с разными значениями температурного коэффициента линейного расширения, соединенных методом плакирования. Активный слой имеет больший коэффициент линейного расширения и выполняется обычно из инвара, пассивный, с меньшим коэффициентом линейного расширения, — из хромоникелевой или молибденовой стали. При нагреве биметаллическая пластинка прогибается в сторону пассивного слоя тем сильнее, чем больше температура окружающей среды. При этом может замыкаться или размыкаться контактная пара, подвижный контакт которой закреплен на конце пластины. Устройство термобиметаллических датчиков представлено на рис. 3.44, а, б и в.

Датчики допускают регулировку температуры срабатывания винтом переме­щения неподвижных контактов. Термобиметаллический датчик указывающих приборов снабжен нагревательной спиралью, включенной последовательно с контактами датчика (рис. 3.44, в). Срабатывание датчика зависит от суммарной температуры окружающей среды и развиваемой нагреваемой спиралью, т.е. от величины силы тока, протекаемого в спирали. Такие датчики применяются только с указателями импульсной системы.

Термоэлектрические датчики температуры. В основе работы термоэлектрического датчика лежит принцип термопары (рис. 3.45) – у всех металлов существует определенная валентность (количество свободных электронов на внешних атомарных орбитах, не задействованных в жестких связях). При воздействии внешних факторов, сообщающих свободным электронам дополнительную энергию, они могут покинуть атом, создавая движение заряженных частиц. В случае совмещения двух металлов с различным потенциалом выхода электронов и последующим нагреванием места соединения возникнет разность потенциалов, получившая название эффекта Зеебека.

В состав температурного датчика входят две проволоки, изготовленные из разных металлов. Концы этих проволочек образуют контакт, формируемый посредством скручивания, сваркой встык либо путем формирования узкого сварного шва. Этот контакт называют горячим спаем.

К свободным концам крепятся компенсационные провода, используемые для присоединения измерительного прибора либо автоматического устройства управления. Контакт, образующийся в этих точках соединения, называют холодным спаем.

Когда концы проводов оказываются в зонах, нагретых до различной температуры, внутри термодатчика формируется электрический ток до тех пор, пока существует разница температур. ЭДС, вызывающая такой ток, называется термо ЭДС Зеебека и является функцией разности между температурой сварного контакта и температурой свободных концов и будет зависеть от конкретной комбинации материалов в термопаре.

Наибольшее распространение получили термопары:

• Хромоалюминиевые;
• Железоникелевые;
• Медно-константановые и другие.

Термопары используются обычно для измерения высоких температур. Например, термопара, выполненная из сплава 70% платины и 30% родия или 94% платины и 6% родия, работает в диапазоне температур 0…1500 °С. Такие датчики используются для измерения отработавших газов в выпускном коллекторе.