ДАТЧИКИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ
Датчики для измерения температуры и давления
Датчики электрических сопротивлений позволяют измерять и оценивать следующие неэлектрические параметры:
- • температуру окружающей среды, поверхности детали, охлаждающей жидкости, воздуха на всасывании в ДВС, выхлопных газов ит. д.;
- • линейное и угловое перемещение отдельной детали;
- • механические усилия и напряжения в деталях и при передаче крутящего момента;
- • давление среды, жидкости (масла), разрежения во всасывающем трубопроводе;
- • массовый расход воздуха на всасывании в ДВС;
- • состав топливовоздушной смеси;
- • уровень топлива в бензобаке, уровень масла в масляной системе, уровень тормозной или охлаждающей жидкости.
Самую большую группу датчиков и их функциональные возможности представляют датчики температуры, предназначенные для измерения температуры в диапазоне:
- • воздуха во впускном трубопроводе (-40...+170 °С);
- • окружающей среды (воздуха) (-40...+125 °С);
- • в салоне автомобиля (-40...+80 °С);
- • охлаждающей жидкости двигателя — антифриза (-40...+140 °С);
- • масла двигателя (-40...+170 °С);
- • топлива (-40...+125 °С);
- • трансмиссии (трансмиссионной жидкости) (-40... +170 °С);
- • воздуха внутри шин (-40... 125 °С);
- • отработавших газов (100... 1000 °С);
- • тормозных накладок (-40...+2000 °С);
- • процессов сгорания топлива в двигателе (до +2600 °С);
- • нагрева головок цилиндров двигателя воздушного охлаждения (+40...230 °С);
- • электролита батареи аккумулятора (-40...+135 °С);
- • систем отопления и кондиционирования, воздуха в испарителе HVAC (-40...+ 135 °С);
- • испарителя кондиционера (-10...+50 °С).
Для большинства видов измерений температуры воздуха в ЭСАУ автомобилей наиболее часто применяют керамический термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC — n?gative temp?rature coefficient) (рис. 4.1).
Терморезисторы с NTC представляют собой датчики из оксидов тяжелых металлов и оксидированных смешанных кристаллов методами спекания и прессования с добавлением связующих компонентов из полупроводниковых материалов. Они характеризуются нелиней-
0 20 40 60 80 t, °С
R, Ом 360
300 240 180 120 60
а б
Рис. 4.1. Конструктивная схема датчика-термометра (а) и зависимость изменения
сопротивления терморезистора от температуры (б):
I — таблетка терморезистора; 2 — контактная втулка; 3 — изоляционная втулка;
4 — токоведущая пружина; 5 — корпус; 6— вывод; 7— изолятор
ной обратной экспоненциальной характеристикой с областью высокой чувствительности, используемой для измерений температуры в некотором диапазоне, обычно не выше 150 °С.
NTC-термисторы подходят и для измерений температур в расширенном диапазоне +200...1000 °С и выше до +1100 °С.
Точность термисторов зависит от исполнения и обычно колеблется в пределах 1...10 %. Термисторы сами подвержены нагреву вследствие протекания тока через резистор, для преодоления которой между плюсом питания в 5 В и выходом термистора дополнительно включается большое сопротивление. Обработка первичного сигнала с терморезисторов производится в контроллере управления в основном с использованием микросхем.
Для измерения в автомобиле высоких температур могут быть использованы термисторы с положительным температурным коэффициентом, металлические пленочные термопреобразователи сопротивления RTD (Resistive Temperature Detectors), термопары, кремниевые терморезисторы и ИС датчиков температуры.
РТС-термисторы изготавливаются из титанита бария, диапазон рабочих температур +60... 180 °С. Эти датчики используют для измерений уровня любых жидкостей от воды до масла.
Тонкопленочные платиновые резисторы RTD, которые применяют для измерений высоких температур помимо высокотемпературных термисторов, имеют наиболее широкий диапазон измеряемых температур (-220...+1000 °С). В качестве других материалов для пленочных резисторов RTD используют медь и сплавы никель/железо. В платиновых датчиках типа RTD керамическая подложка резистора поддерживает структурированный платиновый слой, покрытый стеклом. Эти устройства характеризуются высокой точностью измерений и повторяемостью, линейностью (возможностью прямого подключения выхода датчика к АЦП), долговременной стабильностью, но небольшим положительным температурным коэффициентом (РТС), меньшей чувствительностью к изменению температуры и меньшим базовым сопротивлением, чем термисторы, а также более высокой стоимостью.
Термопары, состоящие из двух различных металлов, вследствие эффекта Зеебека генерируют термоэлектрическое напряжение при нагреве. Используются три наиболее распространенных типа термопар, классифицируемых в зависимости от используемой комбинации металлов и сплавов железо—константан (J), медь—константан (Т) и хромель—алюмель (К). Эти обозначения соответствуют ГОСТ Р 8.585—2001 «ГСИ. Термопары. Статические характеристики преобразования». Термопары К-типа с достаточно высокой линейностью и точностью позволяют измерять температуры -270...+1370 °С, термопары J-типа измеряют температуры порядка -150...+ 1250 °С, Т-ти-
па--200...+350 °С. Термопары из благородных металлов, например
В-типа на основе платины/сплава 30 % платины с родием, позволяют измерять более высокие температуры порядка +800... 1700 °С и выше. Применяются также вольфрам-рениевые термопары ТВР (обозначение ГОСТ Р 8.585—2001), которые могут измерять температуры от + 1000 до 2200 (2500)°С.
Выходное напряжение термопар является небольшим, например 40 мкВ/°С для датчиков К-типа. Обработку сигналов термопар упрощают специальные обработчики сигналов (мостовой схемы).
Кремниевые термисторы с PTC Infineon серий КТ и KTY и Philips серий KTY предназначены для измерения температур воздуха, газов и жидкостей в диапазоне -55...+150 °С. Термочувствительный элемент — это «-кремниевый кристалл, реализованный по планарной технологии. Корпус датчиков выполняется в стеклокерамических корпусах типа SOT23.
Датчики характеризуются отсутствием />-«-переходов, большим РТС, несколько меньшей линейностью, чем RTD, и производятся по технологии, аналогичной производству интегральных микросхем (ИС), что допускает включение дополнительных активных и пассивных цепей обработки сигнала датчика в кристалле датчика.
