Ремонт и техническое обслуживание автомобилей




Датчики температуры и влажности




Автомобили эксплуатируются в различных климатических зонах и в разное время года, при этом в подкапотном пространстве температура может меняться в диапазоне -40...+ 125 ˚С, в различных узлах автомобиля от -40 до 1000 ˚С и более, в салоне - от -40 до +85 ˚С.
И если для сохранения работоспособности агрегатов и автомобиля в целом допустим достаточно широкий интервал температур, то для комфортного состояния человека этот интервал существенно меньше.
Влажность, как и температура, влияет на комфортные условия в салоне и работоспособность некоторых узлов и деталей автомобиля.

На серийных автомобилях датчики температуры используются при контроле температур различных газовых и жидкостных сред для обеспечения штатной работы систем управления двигателя, трансмиссии, климатической установки и диагностики (табл. 3).

***

Измерение температуры жидких сред

В автомобилях, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, контроль над температурой охлаждающей жидкости в системе охлаждения обязателен. Перегрев двигателя может привести к его быстрому отказу, влекущему дорогостоящий ремонт, недостаточная температура сказывается на динамических и экономических показателях работы двигателя и автомобиля в целом.
Преобразование температуры охлаждающей жидкости в электрический сигнал для дальнейшей обработки и анализа осуществляется посредством температурных датчиков разнообразной конструкции.

датчики измерения температуры охлаждающей жидкости

В некоторых, более дорогих и современных системах, измеряется температура масла в двигателе, коробке передач, температура топлива, тормозной жидкости, электролита в аккумуляторе. Температура этих жидкостей измеряется в пределах -40...+200 ˚С.

Таблица 3. Некоторые устройства автомобиля, в которых измеряется температура и влажность

Узел/система
Параметр
Система управления двигателем
Температура воздуха во впускном коллекторе
Температура отработанных газов
Температура охлаждающей жидкости в двигателе
Влажность воздуха во впускном коллекторе
Температура забортного воздуха
Температура топлива
Система управления климатом в салоне
Влажность воздуха в салоне
Температура воздуха в салоне
Температура забортного воздуха
Температура тормозной жидкости в колесных тормозных цилиндрах
Информационная система водителя
Температура забортного воздуха
Температура воздуха в салоне
Температура воздуха в шинах
Температура электролита
Наличие дождя (осадков)
Интенсивность солнечной радиации

***

Измерение температуры газовых сред

Температура воздуха измеряется на впуске в двигатель, за бортом, в салоне. Причем, температура на впуске в двигатель в сложных системах управления, измеряется по пути прохождения воздуха по впускному тракту в нескольких местах.

В некоторых системах управления двигателей измеряется температура отработанных газов как непосредственно во впускном коллекторе, так и в приемной трубе, каталитическом нейтрализаторе и на выходе из выхлопной трубы. Современные циркониевые датчики кислорода работают только при их разогреве до 350 ˚С, поэтому в них встраивается нагревательный элемент и датчик температуры.

Температура воздуха в шинах, наряду с давлением, измеряется на опытных и гоночных моделях автомобилей. Например, система Michelin для гоночных автомобилей имеет датчики в каждом колесе, сигналы передаются на радиочастоте приемнику и затем в информационную систему водителя. При t > 85 ˚С эта система рекомендует снизить скорость до 240 км/час, при t > 90 ˚С до 160 км/час, при t > 100 ˚С – остановиться.

Температура в силовых электронных и интегральных схемах контролируется автоматически. Это сохраняет компоненты от выхода из строя при аварийных режимах работы.

Для измерения температуры используются датчики, которые преобразуют этот физический параметр в электрический сигнал, направляемый обработки и анализа в термометрический прибор или электронный блок управления.
Автомобильные датчики температуры различаются по назначению и рабочим диапазонам (табл. 4).

Таблица 4. Типы температурных датчиков и их рабочие диапазоны

Тип датчика
Диапазон температур, °С
Термистор
0...500
Термопара
-200...+3000
Биметаллическая пластина
-50...+450
Потенциометрический
-40...+125
Резистор (платиновый)
-200...+850
р-п-переход
-40...+200
Термостат
-50...+500
Волоконная оптика
0...+1800
Термоиндикаторы
-40...+1350
Инфракрасный термометр
-200...+1000

***

Термисторы

Термисторы (терморезисторы) часто используются для измерения температуры сред в узлах автомобиля. При изменении температуры меняется электрическое сопротивление термистора и выходной сигнал датчика в виде тока или напряжения.

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).

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 (рис.16 в).




Типичный пример применения термисторов на автомобиле – датчик температуры охлаждающей жидкости (рис. 1 а).
Датчик вворачивается в блок цилиндров или непосредственно в головку блока так, чтобы его чувствительный элемент находится в потоке охлаждающей жидкости.
На рис. 1 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.

устройство и принцип работы датчика температуры жидкости

Рис. 1. Датчик температуры жидкости:
а) Схема размещения датчика; б) Схема включения термистора; в) Зависимость сопротивления термисторов от температуры

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.
В некоторых схемах, с целью повышения чувствительности, предусматривается шунтирование добавочного сопротивления R.

Термисторный датчик температуры воздуха имеет аналогичную конструкцию. Такие датчики устанавливаются, например, в системе подачи и очистки воздуха. Их рабочий диапазон температур составляет -40...120 ˚С.

***

Термопары

Термопара представляет собой устройство из двух проводников выполненных из разнородных металлов или сплавов со сварным контактом на одном из концов. На другом конце два проводника соединяют друг с другом, так что образуется замкнутая цепь (рис. 2).
Если температуры двух противоположных контактов, различны, то в замкнутой цепи будет протекать ток до тех пор, пока существует разница температур.
ЭДС, вызывающая такой ток, называется термоЭДС Зеебека по фамилии немецкого физика, открывшего явление.
Величина термоЭДС Зеебека является функцией разности между температурой сварного контакта и температурой свободных концов и будет зависеть от конкретной комбинации материалов в термопаре.

эффект Зеебека и принцип работы термопары

Рис. 2. Термопара и эффект Зеебека

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 выхлопных газов в выпускном коллекторе.

***

Другие типы датчиков температуры

В датчиках температуры на основе биметаллического чувствительного элемента используется свойство различных металлов по-разному изменять свои линейные размеры в зависимости от температуры. Изгиб (перемещение) пластины замыкает или размыкает контакты (как, например, в регуляторе температуры утюга) или перемещает движок потенциометра, позволяя управлять выходным электрическим сигналом.
В первом случае реализуется дискретный, а во втором – аналоговый датчик температуры.

В датчиках температуры, выполненных на p-n-переходе, используется его свойство изменять падение напряжения в зависимости от температуры при постоянном токе.
В качестве датчика может использоваться переход база-эмиттер кремниевого транзистора с малым током коллектора (около 0,1 мА) для недопущения разогрева. При этом, в диапазоне -40...+150 ˚С напряжение на переходе изменяется от 730 до 300 мВ с нелинейностью ±3 мВ.
Подобные датчики размещаются непосредственно в микросхемах силовых преобразователей и стабилизаторов.

В качестве датчиков контроля и автоматического регулирования температуры двигателей в автомобилях широко применяются термостаты. Термостат является механическим датчиком температуры, в котором расширяющийся под влиянием температуры элемент приводит в действие клапан, перенаправляющий поток охлаждающей жидкости (ОЖ) по большому кругу охлаждения (рис. 3).
В герметичном цилиндре, внутри термостата, находится термочувствительный элемент. Обычно это смесь гранулированного воска и меди, обладающая высоким коэффициентом объемного расширения.
При нагреве до 82 °С термочувствительная смесь начинает плавиться и расширяться, при этом, из цилиндра выдавливается шток преодолевая сопротивление пружины. Шток жестко связан с корпусом термостата, и перемещается сам цилиндр на котором закреплены тарелки клапанов, перекрывающие каналы.

устройство и принцип работы термостата

Рис. 3. Термостат:
а) конструкция; б) схема потоков ОЖ при регулировании; в) схема работы термостата

***

Датчики влажности

Такие датчики используются в некоторых автомобилях, оснащенных климатической установкой.
Определение влажности осуществляется по сигналам двух датчиков - один определяет влажность, а другой температуру воздуха в салоне автомобиля. ЭБУ климат-контроля получает сигналы от этих датчиков и управляет компрессором и некоторыми другими устройствами для оптимизации климата и предотвращения запотевания ветрового стекла.

Для определения количества влаги в воздухе обычно используются датчики относительной влажности – резистивные и емкостные.
В емкостных датчиках влажность изменяет диэлектрические свойства изолятора (полимерной пленки). Такие датчики работают при температурах до 180 °С.
В резистивных датчиках, изменяется сопротивление объемного полимера в зависимости от относительной влажности. Например, при изменении относительной влажности в пределах 10...100% сопротивление датчика меняется в диапазоне 2×107...2×103 Ом.

датчики влажности климатической установки автомобиля

Конфигурация датчиков влажности может быть различной. Устанавливаются они чаще всего у ветрового стекла в районе зеркала заднего вида.

Датчик влажности воздуха климатической установки «G260» устанавливается на некоторых моделях автомобилей «Volkswagen» в сочетании с климатической установкой «Climatronic». Он находится в основании внутреннего зеркала заднего вида вместе с датчиком дождя и освещённости.
Датчик, в сочетании с датчиком температуры, осуществляет измерение влажности воздуха и температуры ветрового стекла и внутри салона.
Датчик является емкостным тонкопленочным и по принципу работы сравним с плоским конденсатором, изменение ёмкости которого находится в зависимости от влажности окружающего воздуха.
С помощью датчика влажности определяется относительная влажность воздуха внутри салона автомобиля и температура на внутренней стороне ветрового стекла. Сигналы передаются блоку управления для расчёта точки росы, а также разности между температурой поверхности стекла и точкой росы в салоне.
На основании полученных от датчика влажности воздуха сигналов ЭБУ климатической установки устанавливает оптимальную температуру в салоне, формируя команды:

  • включение и выключение компрессора;
  • регулирование воздухообмена изменением скорости вентилятора;
  • открывание и закрывание заслонки оттаивателя;
  • изменение температуры испарителя;
  • перемещение заслонки рециркуляции в положение рециркуляции/подачи приточного воздуха.

При отсутствии сигнала датчика (выход из строя, отказ) блок управления больше не может рассчитать, с какого момента влага начинает оседать на ветровом стекле, и функция оттаивания и предотвращения запотевания отключается.

***

Датчики расхода жидкостей и газов



Главная страница


Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты