Датчик температуры рабочей жидкости

Датчики температуры нужны для того, чтобы проконтролировать температуру в помещении, жидкости, твердого объекта или расплавленного металла.

Основой действия температурных датчиков в автоматизированном управлении является изменение температуры в электрический сигнал. Это обуславливает преимущества электрических измерений: результаты легко передавать по сети, скорость передачи может быть достаточно высокой. Величины могут преобразовываться друг в друга и обратно. Цифровой код создает повышенную точность замера, скорость и чувствительность.

Виды и принцип действия

Термопары

Термопара представляет собой две проволоки из разных металлов, спаянных между собой. При разности температур между горячим и холодным концом в цепи возникает электрический ток. Величина этого электрического тока зависит от термоэлектрической силы термопары, составляет от 40 до 60 мкВ, в зависимости от материала термопары. Материал термопары может быть разным. Это могут быть никель-хромовые, хромо-алюминиевые, железо-никелевые, железо-константановые и т.д.

Термопара является высокоточным датчиком температуры, однако эту точность достаточно проблематично снять. Термопара является относительным датчиком температуры, уровень ее напряжения имеет зависимость от температурной разности между спаями. При этом холодный спай находится при комнатной температуре или при какой-либо другой.

Рассмотрим работу термопары ближе. Есть две термопары и две температуры горячего и холодного конца. Соответственно ЭДС зависит от разности температур. Температуру холодного спая необходимо компенсировать. Аппаратным способом компенсации является использование второй термопары, которая помещена в заранее известную температуру.

Программным способом компенсации является использование другого датчика температуры, на этот раз абсолютного, который помещается в изотермическую камеру вместе с холодными спаями и контролирует их температуру с заданной точностью. Имеются трудности снятия данных с термопары.

Во-первых , она нелинейная. В ГОСТе заботливо введены коэффициенты полинома для перевода ЭДС в температуру и обратно. Эти полиномы большого порядка, но ничто не запрещает спокойно их посчитать силами контроллера.

Во-вторых , другая проблема заключается в том, что термо-ЭДС термопары измеряется в единицах и сотнях микровольт. Соответственно, использование широко доступных аналогоцифровых преобразователей приведет к полному провалу. Нужны прецизионные многоразрядные малошумящие аналогоцифровые преобразователи для того, чтобы использовать термопару в своих конструкциях.

Терморезисторы

Гораздо более простым способом измерения стало применение терморезисторов. Они работают на зависимости сопротивления материалов от внешней температуры. Металлические термометры сопротивления, в частности платиновые обладают очень высокой точностью и линейностью. Термометры сопротивления определяются двумя основными характеристиками.

Это базовое сопротивление термометра при определенной температуре. В ГОСТе базовым сопротивлением считается сопротивление при 0 градусах по Цельсию. ГОСТ рекомендует использование нескольких номиналов сопротивлений в Омах и температурный коэффициент, который определяется как разность сопротивлений нашей температуры и при 0 градусов, деленной на нашу температуру и t нуля градусов, умноженную на единицу, деленную на базовое сопротивление.

Т_кс = (R_e – R_0c) / (T_e – T_0c) *1/R_0c

В ГОСТе на терморезисторы вы найдете температурный коэффициент для различных термометров из платины, меди и никеля. Кроме того, там присутствуют коэффициенты полинома для расчета температуры из текущего сопротивления резистора. Одной из проблем термометров сопротивления является очень низкий температурный коэффициент сопротивления. Однако, измерять сопротивление с высокой точностью гораздо проще, чем очень малые значения напряжения в отличие от термопар.

Одним из способов измерения сопротивления является включение нашего термосопротивления в цепь источника тока и измерение дифференциального напряжения. Использование полупроводников даст нам температурный коэффициент доли единицы процента, их гораздо проще измерять с помощью аналогоцифровых преобразователей. Есть интегральные микросхемы датчиков температуры, аналоговый выход которых уже соответствует питаемому напряжению. Такие датчики температуры можно напрямую подключать к аналогоцифровому преобразователю и спокойно оцифровывать его с помощью восьми- или десятибитного АЦП.

Комбинированный датчик

Помимо интегральных схем с выходом, существуют датчики с цифровым интерфейсом. Одним из популярных датчиков является комбинированный датчик температуры и влажности серии SHT1. Этот датчик позволяет измерять температуру с точностью + 2 градуса и влажность с точностью + 5 градусов. Главной проблемой данного датчика температуры является то, что там решили оптимизировать интерфейс. Он позволяет подключать параллельные устройства.

Цифровой датчик

Цифровой датчик температуры DS18B20, который представляет собой трехвыводную микросхему, позволяет с высокой точностью до 0,5 градуса получать температуру с множеством параллельно работающих датчиков. В этом датчике широкий интервал температур от -55 до +125 градусов. Основной его недостаток – медлительность. Вычисления с максимальной точностью он делает за 750 мс. Ввиду инерционности корпуса датчика температуры опрашивать его нет никакого смысла.

Бесконтактные датчики (пирометры)

В этом датчике имеется специальная тонкая пленка, поглощающая инфракрасные излучения, тем самым нагревающаяся. Такие бесконтактные термосенсоры используются в тепловизорах. Там имеется не один тепловой датчик, а матрица. Они позволяют на расстоянии до 3 метров детектировать тепловой объект.

Кварцевые преобразователи температуры

Для того, чтобы измерить температуру в интервале -80 +250 градусов применяют кварцевые преобразователи. Они работают на частотной зависимости кварца от температуры. Действие датчиков происходит на частотной зависимости. Функция преобразователя меняется от расположения среза по осям кристалла.

Кварцевые датчики работают с высокой чувствительностью, разрешением, стабильностью. Эти свойства делают их перспективными в использовании. Они получили большое распространение в цифровых термометрах.

Шумовые датчики температуры

Работа шумовых датчиков заключается на зависимости шумовой разности потенциалов на резисторе от температуры. Практически реализовать способ измерения температуры шумовыми датчиками можно, сделав сравнение шумов 2-х одинаковых резисторов, один находится при определенной температуре, 2-й при измеряемой температуре. Шумовые датчики температуры применяются для температурного интервала -270 -1100 градусов.

Преимуществом шумовых датчиков стала возможность измерения температуры в термодинамике на вышеописанной закономерности. Но это осложнено трудным измерением напряжения шума, так как оно мало и сравнимо с шумом усилителя.

Датчики температуры ЯКР (ядерного квадрупольного резонанса)

Термометры ЯКР работают за счет действия градиента поля тока решетки кристалла и момента ядра, которое вызвано отклонением заряда от симметрии сферы. Это создает процессию ядер. Частота имеет зависимость от градиента поля решетки. Для разных веществ имеет величину до тысяч МГц. Градиент зависит от температуры, с ее возрастанием частота ЯКР уменьшается.

Датчики температуры ЯКР образуют ампулу с веществом, помещенную в обмотку индуктивности, которая соединена с контуром генератора. Когда частота генератора совпадает с частотой ЯКР, то энергия генератора поглощается. Допуск замера температуры -263 градуса равен + 0,02 градуса, а температуры 27 градусов +0,002 градуса. Преимуществом термометров ЯКР становится стабильность, неограниченная по времени, недостатком является значительная нелинейность преобразующей функции.

Объемные преобразователи

Объемные датчики действуют на расширении и сжатии веществ при изменении температуры. Диапазон действия преобразователей определяется, насколько стабильны свойства материалов. Датчиками делают измерения температуры в интервале -60 -400 градусов. Допуск измерения составляет от 1 до 5%. Интервал работы датчика с жидкостью может зависеть от температуры закипания и замерзания. Погрешности измерения датчиков на жидкости от 1 до 3%, определяются температурой среды.

Нижняя граница измерения преобразователей на газе определяется температурой перехода газа в жидкое состояние, верхняя граница – стойкостью баллона к воздействию температуры.

Температура является одним из основных параметров, характеризующих состояние гидросистемы и ее компонентов (перегрев рабочей жидкости, например, может свидетельствовать об износе деталей насосов,аппаратов и гидродвигателей). Измерение температуры рабочей жидкости в гидросистемах осуществляется термометрами и датчиками температуры, которые, как правило, монтируются непосредственно на гидравлическом бакр.

Рис. 7.15. Термометры

Технические жидкостные стеклянные термометры расширения, принцип измерения которых основан на тепловом расширении жидкостей, выпускаются как в прямом, так и угловом исполнении (рис. 7.15, а). Ртутные стеклянные термометры расширения отличаются высокой точностью измерения, стабильностью градуиро- вочной характеристики и малой стоимостью. Однако их хрупкость, невозможность использования в АСУ и значительные динамические, а иногда и методические погрешности ограничивают область применения.

Более надежными и удобными в эксплуатации являются термометры циферблатного типа, чувствительным элементом которых является биметаллическая спираль (рис. 7.15, б). Принцип действия таких термометров основан на свойстве биметаллической спирали, изготовленной из двух металлов с различными коэффициентами объемного расширения, скручиваться или раскручиваться при изменении ее температуры. При этом связанная со спиралью стрелка термометра проворачивается относительно фуговой шкалы на соответствующий угол.

Рис. 7.16. Датчики температуры

Термосопротивление представляет собой полупроводниковый резистор, обладающий свойством существенно изменять своё электрическое сопротивление при изменении температуры.

Термосопротивление, расположенное внутри трубчатого зонда 1, и встроенный в головку датчика 2 измерительный преобразователь в виде герметичной «таблетки» (рис. 6,16, б) преобразуют измеряемую температуру в унифицированный токовый выходной сигнал. Визуализация текущего значения температуры осуществляется указателями, оснащенными цифровыми (рис. 7.16, в) или линейными световыми индикаторами (рис. 7.16, г). При этом на указателе температуры устанавливают заданную температуру рабочей жидкости, а затем в зависимости от реально измеренной температуры может быть автоматически включена либо система подогрева, либо система охлаждения

7.4. Контроль уровня рабочей жидкости в баке

Рис. 7.17. Круглые маслоуказатели

Для визуального контроля уровня жидкости в баке используются маслоуказатели — устройства подобные водомерным стеклам. Маслоуказатели, встраиваемые непосредственно в боковую стенку гидравлического бака, выпускаются в нескольких модификациях; круглые (рис. 7.17), удлиненные и трубчатые (рис. 7.18).

Для контроля верхнего и нижнего уровня масла в баке круглые маслоуказатели устанавливаются попарно.

Рис. 7.19. Датчики и реле уровня

Трубчатые маслоуказатели (рис. 7.18, б) предназначены для использования в оборудовании, не испытывающем при работе сильных толчков и тряски. Их применяют только в тех местах, где нельзя установить встроенные круглые. Маслоуказатели должны иметь отметки предельно допустимых уровней.

Дистанционный контроль уровня масла в гидробаках может осуществляться с помощью емкостных бесконтактных выключателей или посредством реле и датчиков уровня. Емкостные выключатели, принцип действия которых основан на изменении электрической емкости чувствительного элемента, вызванного наличием или отсутствием масла в зоне его действия, устанавливаются попарно для контроля минимального и максимального допустимого уровня масла в баке. Способность емкостных выключателей «чувствовать» наличие контролируемого объекта через стенку бака, позволяет устанавливать их без непосредственного контакта с маслом, (рис. 7,19, а).

Принцип действия электромеханического реле уровня поплавкового типа (рис. 7.19, б) основан на изменении положения поплавка 4 под воздействием выталкивающей силы рабочей жидкости. Поплавок при своем перемещении рычагом 3 воздействует на микропереключатель, расположенный в корпусе 1 и включенный в электрические цепи сигнальных или пусковых устройств. Функцию разделителя между рабочей жидкостью в баке и окружающей средой выполняет сильфон 2, приваренный к фланцу корпуса.

Более традиционным решением задачи контроля двух предельных уровней масла в баках является применение электронных датчиков уровня (рис. 7.19, в). Принцип их действия основан на преобразовании в электрический релейный сигнал изменения параметров катушек индуктивности, расположенных в погружаемом в рабочую жидкость зонде 2, вследствие перемещения поплавка 3 при изменении уровня контролируемой среды. Достоинством таких датчиков является отсутствие в конструкции релейно-контактных устройств, а также удобство их монтажа — корпус 1 датчика вворачивается непосредственно в крышку бака.

Замена датчика температуры охлаждающей жидкости необходима для корректной работы системы охлаждения двигателя. Для начала стоит разобраться в том, что представляет собой датчик температуры охлаждающей жидкости (далее ДТОЖ) и какие функции он несёт.

Что такое датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ)

Назначение

Датчиков в автомобиле существует множество. Все они контролируют работу различных систем автомобиля и его двигателя. Если датчики выдают некорректные показания, то работоспособность автомобиля ставится под угрозу. То же самое можно сказать и о ДТОЖ.

ДТОЖ предназначен для поддержания стабильной работы двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС). За счёт ДТОЖ автомобиль быстрее прогревается и меньше достигает слишком высоких температур. Некоторые путают ДТОЖ с датчиком указателя температуры охлаждающей жидкости. Это — два совершенно разных прибора.

ДТОЖ предоставляет свои показания электронному блоку управления двигателем, а второй датчик уведомляет водителя о температуре рабочей жидкости в системе охлаждения. Выход из строя второго датчика не приводит к серьёзным последствиям в отличие от первого.

Говоря о ДТОЖ, следует также упомянуть о назначении системы охлаждения двигателя, так как работа этих двух агрегатов неразрывно связана. Чаще всего используется жидкостная система охлаждения, главной задачей которой является отведение тепла от двигателя.

Кроме этого, система также несёт функции охлаждения масла в системе смазки, воздуха, который циркулирует в системе турбонаддува, отработавших газов, рабочей жидкости коробки передач. Также у неё имеется функция нагревания воздуха в системах вентиляции и отопления.

Устройство и принцип работы

ДТОЖ по своему устройству напоминает резистор. Конструкция датчика предусматривает изменение его сопротивления электрическому току при колебаниях температуры окружающей среды. Эти изменения фиксируются и используется для подачи команд ДВС.

Предшественниками современных ДТОЖ были термореле. Термореле были установлены в системах впрыска. Когда контакты находились в открытом положении, двигатель нагревался. Если контакт замыкался — значит двигатель уже достаточно прогрелся (достиг рабочей температуры).

В основе устройства современных ДТОЖ лежит термистор, который и устанавливает зависимость сопротивления от температуры. В основе термистора лежат оксиды кобальта и никеля. При росте температуры в этих веществах растёт количество свободных электронов, за счёт чего и падает сопротивление.

Некоторые термисторы в ДТОЖ характеризуются отрицательным температурным коэффициентом. При этом термистор выдаёт максимальные показатели при холодном двигателе. На датчик подаётся напряжение около 5 вольт. После этого по мере прогревания силового агрегата сопротивление понижается. Электронный блок управления (далее ЭБУ) двигателем следит за изменением напряжения и рассчитывает температуру жидкости. После нагревания двигателя ЭБУ начинает обеднять топливную смесь. Неисправность ДТОЖ может также привести к ошибочному обогащению топливной смеси. Результатом этого будет усиленное загрязнение атмосферы и преждевременный выход из строя свечей.

Если количество оборотов двигателя при запуске будет недостаточным — может произойти остановка двигателя. Уплывающая команда ЭБУ на повышение оборотов может это предотвратить. Для поддержания управляемости в процессе запуска двигателя клапан рециркуляции должен быть закрыт до тех пор, пока двигатель не достигнет своей установленной рабочей температуры.

Здесь результатом неисправности ДТОЖ будут плавающие обороты двигателя. Двигатель при этом тоже может остановиться. Угол зажигания также зависит от функционирования датчика, так как этот параметр регулируется системой. Выброс вредных газов при такой регулировке значительно снижается. В конечном итоге мощность и тяга двигателя, а также уровень потребления топлива напрямую зависят от работы ДТОЖ.

Таким образом, ДТОЖ очень важен для корректного функционирования автомобиля.

Место установки датчика

Где находится датчик температуры охлаждающей жидкости в автомобиле? У разных моделей место установки ДТОЖ различается. Чаще всего он устанавливается в головке блока цилиндров возле корпуса термостата или на нём. Обязательным является расположение датчика возле отводящего патрубка, по которому охлаждающая жидкость поступает обратно в радиатор. Такое расположение необходимо для точности передачи данных в ЭБУ.

Виды датчиков

ДТОЖ классифицируются по принципу зависимости от изменения сопротивления:

1. ДТОЖ с отрицательным температурным коэффициентом. Принцип работы таких датчиков заключается в том, что внутреннее сопротивление уменьшается по мере роста температуры и наоборот.
2. ДТОЖ с положительным температурным коэффициентом. Принцип работы противоположен предыдущей разновидности датчиков. В этих датчиках сопротивление увеличивается при росте температуры.

В настоящее время наиболее популярен первый тип датчиков. Иногда в автомобиле встречаются сразу два датчика: основной и дополнительный.

Неисправности ДТОЖ и их признаки

Принято считать, что ДТОЖ достаточно надёжен из-за своей нехитрой конструкции. Однако рано или поздно практически каждый агрегат автомобиля подвергается износу. В случает с ДТОЖ имеет место быть нарушение градуировки. Такое нарушение приводит к незапланированному изменению сопротивления и некорректной работе ЭБУ.

Этот показатель не считается достоверным, если в автомобиле присутствуют одновременно основной и дополнительный датчики. В этом случае на неисправность точнее укажет окисление проводки или выход из строя дополнительного датчика. Основные признаки неисправности ДТОЖ следующие:

• падение оборотов двигателя или самопроизвольная его остановка на холостом ходу;
• более длительное время прогрева автомобиля;
• учащённый выход двигателя за рамки оптимального температурного режима во время работы;
• увеличенный расход топлива;
• снижение контроля над автомобилем у водителя;
• дым из выхлопной трубы приобретает чёрный оттенок;
• нарушение стабильности работы двигателя.

Кроме этого иногда возможны детонационные постукивания в двигателе. На некоторых старых моделях автомобилей есть специальный контроллер. Когда стрелка этого контроллера выходит за пределы критической зоны, автомобиль необходимо немедленно остановить. В этом случае порой тоже имеет место неисправность ДТОЖ. А в более современных моделях о перегреве двигателя водителей уведомляет бортовой компьютер. Но такое сообщение не всегда указывает на неисправность именно датчика. Часто это происходит из-за обрыва проводки и её окисления.

Причины возникновения неисправностей

Поломка ДТОЖ достаточно редко беспокоит автолюбителей вследствие своей простой конструкции. Но причин выхода из строя всё же достаточно. Использование некачественного антифриза и моторного масла приводит к разрушению поверхности ДТОЖ. Чувствительный элемент датчика может покрываться осадком в виде кристаллов. Причина может крыться и в производственном браке. Не стоит покупать ДТОЖ на барахолках и различных дешёвых рынках автозапчастей. ДТОЖ, купленный на таком рынке, зачастую не будет отвечать заявленным параметрам и малейшие повреждения приведут к выходу датчика из строя. Утечка антифриза может привести к износу прокладки. Скачок напряжения в бортэлектросети и коррозия контактов также могут быть причиной выхода из строя датчика.

Проверка работоспособности датчика температуры охлаждающей жидкости

Необходимые инструменты и оборудование

Для процедуры проверки, снятия и замены датчика вам понадобятся следующие инструменты:

• ключ на 19;
• мультиметр;
• ёмкость, в которую вы будете сливать охлаждающую жидкость (подойдёт обычное ведро);
• электрический чайник для нагрева воды;
• термометр;
• ёмкость для горячей жидкости (подойдёт стакан или маленькое ведро).

Порядок проверки

Как проверить датчик температуры охлаждающей жидкости? Этот процесс недолгий и не требует какой-то специальной диагностики в автосалоне.

Не забывайте — для того, чтобы датчик корректно указывал температуру охлаждающей жидкости, необходимо, чтобы ДТОЖ был погружён в эту жидкость. Для этого необходимо регулярно проверять наличие в системе хладагента. Эта проверка — первый этап, который стоит предпринять при возникновении подозрения о неисправности ДТОЖ.

Следующим этапом будет проверка контактов на окисление и коррозию. Также необходимо выявить нарушения подключения ДТОЖ к системе. Изучив инструкцию по эксплуатации автомобиля, уточните количество и расположение датчиков. После этого найдите ДТОЖ и установите, что с его подключением всё в порядке. Для этого ДТОЖ придётся демонтировать, так как проверка связана с его погружением в ёмкость для горячей жидкости.

Возьмите датчик и опустите его в ёмкость с кипятком. Далее необходимо замерить сопротивление на выходе. При этом датчики на разных моделях автомобиля будут показывать разные значения. В интернете доступны таблицы с оптимальным сопротивлением для каждой модели.

Как проверить датчик температуры охлаждающей жидкости? Необходимо опустить его в нагретую воду (как было сказано выше). Затем возьмите термометр и опустите его в ёмкость с холодной водой. Рекомендуется использовать электронный термометр. Подключите к датчику мультиметр, который настроен на измерение сопротивления. Затем опустите ДТОЖ в воду и проведите измерения. Затем ёмкость с холодной водой нагревается до 15, 20, 25 градусов, а полученные результаты измерений фиксируются. Если результаты не совпали с эталонными — потребуется замена.

Существует способ проверить ДТОЖ и без термометра. Температура воды при кипении достигает 100 градусов. Эта температура берётся за основу и измеряется сопротивление. При кипении воды сопротивление должно равняться примерно 176,7 ом. С погрешностями оно может достигать около 190 ом. В случае несовпадения показателей также потребуется замена датчика.

Заключение

Мы выяснили, что ДТОЖ представляет собой необходимый компонент силового агрегата. Его отказ может привести к серьёзным нарушениям в работоспособности автомобиля. Признаки поломки ДТОЖ очень разнообразны и их легко спутать с причинами поломки других агрегатов автомобиля.

Поскольку ДТОЖ представляет собой терморезистор, то сведения об изменении температуры окружающей среды он передаёт путём изменения электрического сопротивления. Приборы, изготовленные разными производителями, выдают различные перепады сопротивления при одних и тех же температурных показателях. Поэтому, приобретая новый датчик, следует удостовериться в том, что он подходит для модели вашего автомобиля. Своевременная диагностика датчика температуры охлаждающей жидкости поможет избежать весьма неприятных проблем, связанных с использованием автомобиля. Удачи и лёгких дорог!