Датчик температуры зависимость сопротивления от температуры

Температура является одним из наиболее распространенных параметров, регистрируемых встраиваемой системой. Для таких измерений существует широкий выбор датчиков температуры. Диапазон типов датчиков простирается от экзотических детекторов черного тела до простейших резистивных сенсоров, включая все множество типов, находящихся между этими полюсами. В этой статье я кратко расскажу о терморезисторах с отрицательным температурным коэффициентом (NTC термисторы) – одних из самых распространенных датчиков температуры, используемых в различных встраиваемых системах.

Термисторы

Термистор представляет собой резистивный элемент, как правило, изготовленный из полимера или полупроводника, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Этот тип устройства не следует путать с резистивным датчиком температуры (RTD). Обычно RTD гораздо точнее, стоят дороже и охватывают более широкий диапазон температур.

Существуют два типа термисторов, отличающихся характером зависимости сопротивления от температуры. Если значение сопротивления уменьшается с ростом температуры, мы называем это устройство термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Если сопротивление с ростом температуры возрастает, это устройство известно как термистор с положительным температурным коэффициентом (PTC). Как правило, PTC-устройства используются как средства защиты, а NTC-устройства применяются в качестве термодатчиков. Очень часто NTC термисторы применяются для контроля PN-переходов широкополосных лазерных диодов.

Еще одной характеристикой терморезистора является стоимость. В небольших партиях типичный термистор стоит, как правило, от $0.05 до $0.10 за штуку. Низкая цена и простота подключения делают эти устройства весьма привлекательными для встраиваемых приложений.

Типичный диапазон измерения температуры термистора составляет от –50 °C до +125 °C. Большинство приложений, использующих термисторы, работает в диапазоне от –10 °C до +70 °C, или, как его называют, в коммерческом диапазоне температур окружающей среды.

Типовая погрешность сопротивления термистора достаточно велика. Большинство термисторов изготавливается с допустимым отклонением сопротивления ±5%.

Однако их точность вполне приемлема. Как правило, мы можем рассчитывать, что она находится в диапазоне от ±0.5% до ±1.0%.

Выражение, связывающее температуру и сопротивление термистора, известно как уравнение Стейнхарта-Харта. Это нелинейное уравнение показано ниже.

Уравнение 1. Уравнение Стейнхарта-Харта
для термистора.

На Рисунке 1 показан график зависимости сопротивления от температуры для NTC термистора ERTJZET472 компании Panasonic. Этот график показывает, что на линейной шкале зависимость сопротивления от температуры очень нелинейна.

Как правило, термисторы оцениваются по параметру, известному как значение R25. Это типовое сопротивление термистора при 25 °C. Значение R25 для данного термистора составляет 4700 Ом.

Мы можем легко подключить термистор к маломощному источнику тока. Затем мы можем считать напряжение с помощью АЦП и сравнить полученный результат с соответствующей строкой просмотровой таблицы, чтобы узнать истинную температуру. Мы также можем попытаться линеаризовать зависимость сопротивления от температуры.

В некоторых системах с ограниченной памятью мы просто не можем позволить себе такую роскошь, как создание таблицы преобразования. Поэтому в таком приложении показания термистора мы попытаемся линеаризовать.

Приближение первого порядка показывает нам, что сопротивление термистора примерно обратно пропорционально температуре. Учитывая это, мы можем создать схему обратной пропорции, чтобы попытаться линеаризовать кривую зависимости сопротивления от температуры. Из Рисунка 2 видно, как это делается.

Если бы мы действительно хотели сэкономить деньги, то могли бы убрать источник опорного напряжения. Для этого потребуется определенная дополнительная фильтрация, чтобы устранить любые шумы источника питания. Важно, что АЦП и термисторная цепь имеют один источник опорного напряжения. Это позволяет нам использовать логометрический метод измерения для термистора относительно показаний АЦП. То есть, измерение будет независимым от напряжения возбуждения интерфейсной цепи термистора.

Показания температуры зависят только от сопротивления смещения (RB) и сопротивления термистора (RTH). Мы можем назвать их отношение коэффициентом деления (D). Выражение для коэффициента деления не отличается от выражения для простого делителя напряжения (Уравнениие 2).

Уравнение 2. Коэффициент деления
линеаризующей цепи.

На Рисунке 3 показан набор кривых для различных значений сопротивления смещения линеаризующей цепи термистора. Эти графики также демонстрируют достаточную степень линейности в диапазоне от 0 до 70 °C; при этом наилучшая линейность достигается с более низким сопротивлением резистора смещения.

Другим, более хорошим способом взглянуть на это является изображение на графике разности между значениями температуры, взятыми из документации, и линеаризованными значениями. Такой график приведен на Рисунке 4. Этот рисунок также демонстрирует, что лучшая линейность достигается при меньшем значении сопротивления смещения. График показывает, что резистор номиналом 2 кОм даст линейность примерно ±3 °C в диапазоне температур от 0 до 70 °C.

В этом примере линейное выражение для зависимости температуры от коэффициента сопротивлений при номинале резистора смещения 2 кОм приведено в Уравнении 3.

Уравнение 3. Зависимость температуры от
отношения сопротивлений при
использовании резистора
смещения 2 кОм.

T – температура в градусах Цельсия,
D – коэффициент деления.

На резистивный делитель и АЦП подается одно и то же опорное напряжение. Таким образом, мы можем легко вывести зависимость коэффициента деления от показаний АЦП. Если предположить, что преобразователь имеет разрядность N бит, то получим соотношение, показанное в Уравнении 4.

Уравнение 4. Зависимость коэффициента деления
от показаний АЦП при N-битном
преобразователе.

D – коэффициент деления,
ADC – показания АЦП,
N – разрядность АЦП (количество бит).

Подставив Уравнение 4 в Уравнение 3, получим выражение, связывающее показания АЦП с температурой. Оно представлено Уравнением 5.

Уравнение 5. Зависимость температуры от показаний
АЦП при N-битном преобразователе и
сопротивлении смещения 2 кОм.

Выводы

Иногда, как разработчикам встраиваемой электроники, нам приходится решать проблему подключения датчика к системе. В этой статье я рассмотрел простую схему датчика температуры на основе термистора и показал, как линеаризовать температурную зависимость сопротивления.

Одним из основных преимуществ использования термисторов является их цена. Как правило, при покупке в небольших количествах эти датчики стоят примерно от $0.05 до $0.10. Точность для этих датчиков вполне приличная. Обычно допуск сопротивления или допуск R25 для этих устройств составляет от ±3% до ±5%. Поэтому схема линеаризации с нелинейностью ±3 °C также может считаться удовлетворительной.

Конечно, мы всегда можем использовать более дорогой датчик, который даст более точный результат. К подобным типам датчиков можно отнести:

1. Датчики с PN-переходом. Низкая стоимость, приемлемая точность.
2. Микросхемы датчиков температуры. Обычно они представляют собой некоторую разновидность датчиков с PN-переходом.
3. Резистивные датчики температуры (RTD). Они, как правило, очень точны и значительно дороже.
4. Термопары. Их диапазон измерения обычно намного больше, а цена сравнительно невысока.
5. Инфракрасные датчики. Чаще всего их используют для измерения тепловых излучений, уровни которых затем преобразуют в температуру.

Это лишь несколько из тех методов, с помощью которых можно измерять температуру. О некоторых из них, возможно, я смогу рассказать в будущей статье.

А как вы измеряете температуру в своей встраиваемой системе? Вы видите, что я показал очень дешевый способ измерения этого физического параметра. Но помимо него существует еще уйма других методов.

Перевод: Mikhail R по заказу РадиоЛоцман

Датчики температуры охлаждающей жидкости представляют собой полупроводниковый элемент, который меняет свое сопротивление в зависимости от окружающей температуры. По сигналам этого датчика система определяет состояние двигателя (его температуру) и принимает решение о коррекции параметров, таких как обороты холостого хода, обогащение топливной смеси, изменение угла опережения зажигания и т.д.

На двигателе установлены два датчика температуры. Один датчик температуры охлаждающие жидкости установлен в патрубке термостата и предназначен для определения температуры охлаждающей жидкости двигателя. Второй датчик температуры воздуха установлен во впускной системе и предназначен для определения температуры воздуха, входящего в цилиндры двигателя. Оба датчик включены в электронную схему блока управления, который по величине падения напряжения в цепи датчиков ( зависимости от температуры) корректирует подачу топлива и угол опережения зажигания.

Практически все применяемые в настоящее время датчи­ки температуры выполнены на основе полупроводниковых резисторов, имеющих отрицательный температурный коэффици­ент сопротивления (TKR) Сопротивление таких датчиков уменьшается с увеличением температуры. Конструкция такого датчика показана на рис.33.

Характеристики датчиков применяемых различными производителями, отличаются друг от друга, однако в принципе они похожи . Типичная зави­симость сопротивления датчика от температуры охлаждающей жидкости приведена на рис.34. Практически такие же характеристики имеют и датчики температуры всасываемого воздуха. Более того, очень часто в датчиках температуры охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха используется один и тот же тип терморезистора.

Рис.33. Конструкция датчика температуры охлаждающей жидкости:

1 – полупроводниковый резистор; 2 – металлический корпус; 3 – электрические контакты

Рис.34. Типичная характеристика температурного датчика

При возникновении неисправностей в датчиках или в цепях датчиков блок управление сигнализирует водителю включением контрольной лампы.

Исправность датчика проверить или по величине падения напряжения в цепи датчика при различных температурах или по величине сопротивления

Для проверки исправности датчика по величине падения напряжения необходимо собрать схему (см. рис.35). Резистором 1 по миллиамперметру 4 установить ток в цепи 1-1,5мА. При температуре +25°С вольтметр 3 должен показывать напряжение 2,957-3,022 В.Изменяя окружающую температуру датчика, привести замеры напряжения вольтметром 3. Оно должно укладываться в пределы, указанные ниже:

– 40°С – 2,287-2,392 В; + 90°С – 3,642-3,737 В.

При работающем двигателе исправность датчика можно проверить прибором DST-2 или мотор-тестером КАД-300. Для некоторых моделей автомобилей стандартные значения параметров датчиков приведены в таблице 1.

Рис.35. Электрическая схема проверки датчика температуры19.382- сопротивление переменное 10 кОм

2 – аккумуляторная батарея; 3 – вольтметр; 4 – миллиамперметр; 5 –датчик.

Таблица 1. Зависимость параметров датчиков температур

Датчики детонации.

Датчики детонации служит для определения детонации при работе двигателя. Детонация – это несанкционированное самовоспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя. При работе двигателя в таком режиме возникают сильные вибрационные и термические нагрузки налетали двигателя.

Работа двигателя с детонацией может привести к разрушению деталей двигателя (например: поршня, прокладки головки блока и др.).

Датчик детонации устанавливается на блоке цилиндров.

Устройство широкополосного пьезоэлектрического датчика детонации показано на рис.36.

Рис.36. Датчик детонации:

1 – штекер; 2 – изолятор; 3 – корпус; 4 – гайка; 5 – упругая шайба; 6 – инерционная шайба; 7 -пьезоэлемент; 8 – контактная пластина.

Основными элементами датчика являются: кварцевый пьезоэлемент 7 и инерционная шайба 6. При работе двигателя возникает вибрация его деталей. Инерционная шайба 6 датчика воздействует на пьезоэлемент 7 и в нем возникают электрические сигналы определенной величины и формы. Возникновение детонации в работе двигателя приводит к резкому увеличению вибрации, что вызывает увеличение амплитуды напряжения электрических сигналов датчика ( Рис. 37)

Рис.37. Сигнал датчика детонации резонансного типа.

Электрические сигналы датчика передаются в блок управления. По сигналам датчика детонации блок управления корректирует угол опережения зажигания до прекращения детонации. Благодаря наличию сигналов датчика детонации в системе управления моментом искрообразования образуется цепь обратной связи, что позваляет с высокой точность реализовать сложную функцию зависимости момента искрообразования от множества влияющих факторов. Пример такой зависимости только от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель изображен на рис. 38.

Рис. 38 .Зависимость оптимальных УОЗ от нагрузки и оборотов ДВС.

Разновидностью пьезодатчика детонации является датчик со встроенным шунтирующим резистором, конструкция и схема включения которого представлены на рис.39

Рис.39. Конструкция (а) и схема включения (б) резонансного датчика детонации с шунтирующим резистором:

1 – пьезоэлемент; 2 – шунтирующий резистор; 3 – электрический контакт; 4 – корпус; 5 – резьба для заворачивания в блок цилиндров.

При исправном состоянии всей цепи на выходе датчика действует постоянное напряжение +2,5 В, получаемое результате работы делителя из резисторов R1 и R2. Сигнал детонации изменяется в обе стороны от этого уровня диапазоне 0,5 В. Такое решение обусловлено тем, что пьезоэлемент не пропускает постоянного тока, а поэтому диагностика цепи датчика блоком управления затруднена. В приводимой схеме эти трудности легко устраняются. В случае обрыва в цепи датчика напряжение на входе блока управления становится равным +5 В, а в случае короткого замыкан равно нулю. Таким образом блок управления диагностирует состояние этой цепи ещё до запуска двигателя, при включении зажигания .В случае обнаружения неисправности блок управления существенно (на 10+15") снижает углы опережения зажигания на большинстве режимов работы двигателя для гарантированного недопущения детонации. При этом мощностно- экономические характеристики автомобиля ухудшаются, но значительно снижается риск повреждения двигателя.

При выходе из строя датчика или его электрических цепей блок управления сигнализирует водителю включением контрольной лампы.

Исправность датчика можно проверить только при работе двигателя прибором DST-2.или мотор-тестером КАД-300.

Неисправный датчик подлежит замене.

Датчики кислорода.

В современных системах управления подачей топлива в ДВС, едва ли не главную роль выполняет датчик содержания кислорода в выхлопных газах или лямбда-зонд. Его задачей является преобразование информации о концентрации кислорода в выхлопных газах в электрический сигнал, который по цепи обратной связи поступает в электронный блок управления для прецизионной коррекции состава топливной смеси. Только такое управление позволяет с высокой точностью поддерживать состав этой смеси оптимальным ( с точностью до 1% ). Необходимость такой регулировки иллюстрируется рис.40.

Рис40. Зависимость эффективности работы каталитического нейтрализатора от состава топливной смеси.

На практике используется два типа датчиков кислорода – « циркониевые» и «титановые». Первые построены на основе двуокиси циркония и применяются в подавляющем большинстве автомобилей. Принцип работы такого датчика состоит в генерировании э.д.с., величина которой сильно зависит от разности концентраций кислорода на противоположных поверхностях элемента 1, состоящего из керамики на основе двуокиси циркония ( Рис.41 ). На поверхности этого элемента нанесены электроды 2 с которых снимается образующийся потенциал . Эти электроды через контакты 3 и 4 соединяются с выводами датчика, устанавливаемого в выхлопном коллекторе 5. Элемент защищается пористой керамикой, прозрачной для ионов кислорода при температуре, превышающей 300град. От этой температуры сильно зависит скорость реакции датчика. При температуре около 600град. она менее 50 мсек. Для снижения времени прогрева современных датчиков они оснащаются электрическим нагревателем с током потребления 8-12А. Конструкция нагреваемого датчика кислорода приведена на рис.42.

Рис.41 Схема устройства датчика кислорода:

1-чувствительная керамика, 2- платиновые электроды, 3,4-контакты, 5-выхлопная труба, 6-защитная керамика.

Рис.42. Нагреваемый датчик кислорода:

1- корпус датчика, 2-защитная керамическая колба, 3- соединительные провода, 4-защитный стальной кожух с прорезями, 5-циркониевый элемент, 6-контакты, 7- корпус датчика, 8-нагревательный элемент, 9-контакт нагревательного элемента.

Особенностью циркониевого датчика является то, что при незначительных изменениях состава смеси ( от λ = 1,02 до λ = 0,98 ) э.д.с. на его выходе скачком изменяется от нескольких милливольт до одного вольта ( рис.43 ).

Рис.43. Зависимость выходного напряжения «циркониевого» датчика от состава смеси при температуре 500-800 град.

Такая релейная характеристика датчика полностью определяет алгоритм работы всей системы автоматического регулирования состава топливной смеси ( рис. 44 ).

Рис.44. Упрощенный алгоритм работы системы управления составом топливной смеси по сигналам датчика кислорода.

В соответствии с этим алгоритмом состав смеси в системе с контуром обратной связи непрерывно изменяется от значений порядка λ =0,98 до значений порядка λ =1,03. Сигнал реально работающей системы приведен на рис.45.

Рис.45. Сигнал на выходе датчика кислорода.

Наличие такого сигнала на выходе датчика в установившемся режиме работы двигателя говорит о полной работоспособности системы дозирования смеси ( рис.46 ).

Рис.46. Структурная схема системы топливодозирования с датчиком кислорода:

1-расходомер воздуха, 2-двигатель, 3-датчик кислорода, 4-каталитический нейтрализатор, 5-форсунки, 6-ЭБУ.

Количество топлива подаваемого форсунками 5 в цилиндры двигателя 2 регулируется электронным блоком 6 по сигналам датчиков расхода воздуха1 установленного во впускном коллекторе и кислорода 3 установленного в выпускном коллекторе для обеспечения наиболее эффективной работы каталитического нейтрализатора выхлопных газов 4.

Титановые датчики кислорода имеют похожую характеристику (рис.47 ), с той лишь разницей, что этот датчик при изменении концентрации кислорода в выхлопных газах изменяет свое сопротивление. Такие датчики применяются на некоторых моделях автомобилей BMW, JAGUAR , NISSAN, но широкого распространения не получили.

Рис.47. Зависимость сопротивления «титанового» датчика от состава топливной смеси.

Датчики кислорода, как и каталитические нейтрализаторы, не выдерживают применения этилированных бензинов, на их работу отрицательно сказывается перегрев выше 850град. и перебои в искрообразовании. Наиболее распространенная болезнь датчиков кислорода – замедленная реакция. Время фронта его сигнала значительно превышает 120 мСек, что неизменно вызывает увеличенный расход топлива и заметное снижение динамики автомобиля. При этом система самодиагностики ее не фиксирует, так как этот параметр не отслеживается контроллером, который отслеживает только его полное отсутствие или выход за пределы установленного диапазона, равного 0 – 1 В.

Обнаружить указанные неисправности датчика кислорода можно только по осциллограмме его сигнала на прогретом датчике, например с помощью автомобильного осциллографа или мотор-тестера КАД-300.

Дата добавления: 2016-04-11 ; просмотров: 691 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Одной из важнейших деталей для впрысковой топливной системы является Датчик Температуры Охлаждающей Жидкости (ДТОЖ) для ЭБУ. Не путать с датчиком температуры для показометра на панели приборов, это два разных датчика. ДТОЖ дает инфу на ЭБУ, а второй портит только вашу нервную систему.
Ранняя версия (из двух датчиков):
ДТОЖ ЭБУ (синего цвета) VAG 025 906 041A (номер по ХансПрайсу 100 191 435, будет ELTH, он же и в оригинале)

и ДТОЖ на стрелку (черного цвета) VAG 251 919 501 (после 501 может идти буква A или D) (номер по ХансПрайсу 103 327 435, будет ELTH, он же и в оригинале)

Позже, то ли для экономии места, толи для развода нас с вами на бабки, эти два датчика объединили в один корпус (внутри которого живут эти два не связанных между собой датчика):
ДТОЖ "нового образца" VAG 357 919 501A (синяя метка/полоса) (номер по ХансПрайсу 103 568 435, будет ELTH, он же и в оригинале)

позже заменен на 6U0 919 501B (желтая полоса)

В этой детали нас интересуют только выводы №1 и №3. Это контакты ДТОЖ для ЭБУ.
/От себя скажу — моя статистика продавца запчастей говорит о том, что датчики с желтой меткой (6U0) в большинстве своем либо лажа от ВАГ, либо контрофакт. Потому как столько возвратов не было даже у кЕтайских датчиков. Не берусь судить, но факт. Но к нашим баранам ДТОЖ ЭБУ./
Итак, задача ДТОЖ проста — изменять свое сопротивление в зависимости от температуры. Охлаждающей жидкости, разумеется. На основании этих показаний ЭБУ будет вытаскивать-топить "трос подсоса" (менять состав топливо-воздушной смеси).
Немного поразмыслив над различными "религиями", я все таки пришел к выводу, что исправность датчика есть его свойство изменять свое сопротивление согласно таблице, а не "изменять напряжение на его контактах". Ибо когда речь идет о контроле напряжения, то речь по умолчанию идет о целой электрической цепи и напряжение на контактах ДТОЖ будет зависеть не только от его сопротивления, а и от исправности ЭБУ, сопротивления проводов/окисленных контактов и т.п. Хотя, если проводить диагностику и настройку всего узла, то соответствие падения напряжения на ДТОЖ таблице есть важный момент.
Проверка ДТОЖ.
Таблицы изменения сопротивления от температуры "валяются" на каждом углу. Самые красивые стырю и не покраснею с vwts.ru

Ну или если кому лень водить грязным пальчиком по графику на чистом мониторе, такая вот примерная таблица (для положительных значений температуры):

Таблицы вполне достаточно, т.к. реальную температуру (хотя бы до 1го градуса) никогда не измерить, ну и прибросим небольшую погрешность прибора…
Если отдельно взятый ДТОЖ, а точнее его параметры укладываются в табличные, то смело ставим этот "гаджет" в свое место под капотом.

А вот теперь самое интересное. Изменение напряжения на ДТОЖ.
В отличии от таблиц изменения сопротивления, я так и не нашел "правильных" таблиц по изменению напряжения. Переходящая из компа в комп по инету табличка (так же не краснея спер у kladikk ) не верна!

По крайней мере у нескольких заведомо исправных машин при примерно 20С (ну мож 17-18) сопротивление ДТОЖ соответствовало примерно +/- 2,5кОм, а вот напряжение было 2,05-2,2В. Если верить самим ДТОЖ, то температура вполне соответствует реальности. А вот если поверить вольтметру, то температура должна быть 50-60. Нискладушко однако.
Кстати, подобный вопрос уже поднимался vwts.ru/forum/index.php?showtopic=222180, но я там нихрена так и не понял, чем дело закончилось, но больно мне табличка (она укладывается в мои измерения) пондравилась.

У кого какие мысли, что бы поставить жЫрную точку в этом вопросе?

Пока мыслей нет, я занялся практикой. В надежде, что мой ДТОЖ оправдает свое благородное оригинальное происхождение. Приехал в гараж, а он у меня теплый. Поэтому пришлось ограничиться измерениями от 90 до 20ти С. Для сравнения взял данные из таблицы выше. Столбцы: R — сопротивление, U vwts — напряжение из таблицы, U замер — мое напряжение.

Не старался поймать значения сопротивлений из таблички vwts, но из приведенных цифр видно, что хотя бы в диапазоне измерений есть полное сходство с этой таблицей. Думаю и в других диапазонах расхождений не будет. Сваял из этой таблицы графики для тех, кому удобнее: