Какая температура на датчике температуры

Про датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) — часть 1

Приветствую, уважаемые подписчики и гости моего блога! В связи с участившимися обращениями, касаемо датчика температуры, проблем с запуском или работой мотора, что также связано с этим датчиком, я решил посвятить этой теме отдельную статью, чтобы впредь к этому вопросу больше не возвращаться. Приводить примеры я буду, конечно же, на VAG-группе, так как это основная группа автомобилей, которыми я занимаюсь, но то о чём я сейчас буду рассказывать, касается всех марок машин, потому что принцип работы абсолютно одинаковый. Поехали!

Итак, у нас имеется датчик температуры охлаждающей жидкости, который устанавливается в малом круге системы охлаждения. Чтобы в дальнейшем не путаться, давайте ДТОЖ подразумевать как датчик температуры двигателя, чтобы не относить сюда ещё датчик температуры, который стоит в радиаторе — он нас не интересует. Обычно в двигателях, с электронным управлением, применяются по 2 датчика температуры двигателя: один идёт на стрелку в панели приборов, а другой на ЭБУ двигателя.

У каждого датчика по 2 контакта: плюсовой и минусовой. Внутри датчика находится терморезистор, который в зависимости от температуры меняет своё сопротивление: при повышении температуры сопротивление уменьшается, а при снижении — увеличивается. Принцип работы достаточно простой: ЭБУ подаёт на датчик опорное напряжение, которое в зависимости от сопротивления датчика на выходе меняется, и уже по величине напряжения, которое вернулось в ЭБУ, он вычисляет какая сейчас температура. Проще говоря, ЭБУ работает как вольтметр.

А производит вычисления ЭБУ, пользуясь заложенной в него технической картой — это своего рода таблица, где определённое напряжение на выходе из датчика равно определённой температуре. В нашем случае, даже не имея под рукой диагностического оборудования, мы при помощи Омметра сможем определить показания датчика температуры по таблице сопротивления. Это не эталон, но в целом можно примерно определить правильность показаний датчика.

Позже, стали применять датчики температуры сдвоенного типа, у которых в одном корпусе 2 терморезистора: на стрелку и на ЭБУ. Соответственно у данного датчика теперь 4 контакта. ДТОЖ, который идёт на стрелку, зачастую обладает большей погрешностью, поэтому показания на приборке и ЭБУ могут отличаться плюс-минус на 10-15 градусов — это считается нормой.

В более современных системах управления, встречается один двухконтакный датчик, который идёт сразу на блок управления двигателем, а уже с ЭБУ показания температуры передаются на приборку по CAN-шине. В общем и целом алгоритм работы такой же.

Для начала я задам вам вопрос: Зачем датчик температуры для ЭБУ? В основном ответы будут такого рода: «чтобы блок управления двигателем уведомлял водителя о возможном перегреве мотора, чтобы задействовать вентилятор радиатора», даже может прозвучать ответ: «корректировать зажигание» — не совсем. Вернёмся к вопросу в конце статьи.

Давайте вспомним молодость, когда вы или ваши близкие ездили на автомобиле с карбюраторным двигателем, а именно тот случай, когда двигатель запускали зимой. Мотор холодный, воздух тоже холодный и для того, чтобы двигатель удачно запустился, нужно подать в него богатую смесь. Для этого вытягивали «подсос», перекрывая воздушную заслонку, таким образом уменьшая подачу воздуха и увеличивая соотношение топлива — двигатель запускался. Если же в мороз попробовать завестись без «подсоса» — двигатель не заведётся. Так и в жаркую погоду, когда двигатель горячий, если завестись с вытянутым «подсосом» — мотор не заводится, потому что слишком много топлива. А как быть в случае с инжекторным двигателем, ведь карбюратора с «подсосом» уже нет? Теперь улавливаете? Когда двигатель холодный и в зависимости насколько он холодный, руководствуясь показателями ДТОЖ, ЭБУ обогащает смесь, чтобы облегчить его запуск. Также и когда мотор горячий — ЭБУ будет даже немного беднить смесь, также для облегчения запуска, и помимо экологии, максимальной экономии топлива.

В случае, с неисправностью датчика температуры, ЭБУ переходит в аварийный режим, то есть загорается «чек», на постоянной основе включается вентилятор радиатора (чтобы избежать перегрева двигателя) и дозируется смесь на усреднённых параметрах. В результате водитель имеет возможность доехать до сервиса, однако запуск двигателя затруднён, так как ЭБУ не знает фактической температуры и дозирует смесь некорректно, ухудшается работа двигателя, страдает его динамика (разгон, тяга и т.п.) и в конце концов увеличивается расход топлива. Однако такой переход на аварийную программу происходит, когда ЭБУ полностью теряет связь с датчиком, как правило это обрыв одного из проводов, замыкание или полностью снятый разъём с датчика. К сожалению, чаще всего, со временем датчик начинает некорректно показывать температуру и ЭБУ не уходит в аварию, а получается что из-за некорректных показаний датчика, некорректно осуществляет некорректную регулировку состава смеси. Максимум, что ЭБУ может сделать, это записать код неисправности, что-то вроде «P0116 — недостоверный сигнал» статус: «непостоянно», соответственно и «чек» при этом не загорится и никакой аварийной программы не будет. При этом проявляются очень неприятные последствия.

Представим ситуацию, когда ДТОЖ «моросит», вы пытаетесь запустить холодный двигатель, а датчик показывает что мотор наоборот горячий. Вывод — двигатель не запускается. Также в случае с горячим мотором: датчик показывает -70 к примеру (я не шучу, бывает и такое) и мотор не заводится, потому что его «заливает». Помимо проблем с запуском, увеличивается расход топлива, мотор может работать неустойчиво и автомобиль будет ехать так, будто тянет за собой Камаз с прицепом. Хочу привести пример из жизни, кстати совсем недавно
это было — 14 января этого года, в группе VK был отдельный пост по этому случаю: vk.com/wall-177932519_125

Автомобиль Volkswagen Passat B5+, владелец обратился с жалобой на то, что двигатель не зависимо от температуры может перестать заводиться вообще. Машина стала ехать плохо, вырос расход. Виной всему датчик температуры. На фото можно увидеть, что на приборке стрелка показывает практически 90 градусов, а по сканеру, в ЭБУ температура -27. Как я говорил выше, датчик на стрелку и на ЭБУ свой, поэтому если будет моросить датчик на стрелку, на работу двигателя это не повлияет. Конкретно в этом случае неисправность была именно в датчике, который идёт на ЭБУ. А так как датчик сдвоенный, он меняется целиком.

Сам датчик температуры не сразу начинает проявлять себя. Сначала время от времени вы можете заметить, что где-то со второго раза завелись, мотор в какой-то момент подтраивал, потом всё нормально и т.п. Со временем, симптомы проявляются всё чаще и чаще, пока мотор вообще перестанет схватывать. Почему так происходит? Во-первых от времени терморезистор «устаёт», начинаются погрешности в измерениях, которые потом усугубляются. Во-вторых вибрации двигателя и перепады температур, создают внутри датчика на контактах микрообрыв. Если быть точнее, то микрообрыв происходит в соединении выводов терморезистора и пинов «папа» в корпусе датчика. Из физики мы знаем, что при нагревании тела расширяются, а при охлаждении сужаются. Это же происходит с обрывом цепи внутри датчика, от чего сильно меняется сопротивление. Бывает когда мотор горячий, сам датчик соответственно горячий — всё хорошо, а как только остынет, обрыв стал больше и датчик начинает моросить. Получается «плавающая» неисправность, и тем сложнее её будет обнаружить. Бывало даже приходилось пол дня ездить на автомобиле с подключённым сканером и наблюдать за температурой, чтобы увидеть, что температура в определённый момент стала резко некорректной. Но это уже совсем другая история.

Чтобы закрепить материал, вернёмся к вопросу в начале статьи: Зачем датчик температуры для ЭБУ? Уверен, что теперь вы полноценно ответите на данный вопрос. Пожалуй, на этом у меня всё, спасибо за то, что дочитали до конца! До встречи в следующей части!

Выбор датчика температуры

При выборе датчиков температуры (ДТ) следует учитывать много нюансов, описание которых в короткой статье не представляется возможным. Поэтому специалисты отдела датчиков ОВЕН дали базовые рекомендации, которые помогут выбрать наиболее подходящий датчик для решения задачи. Основными типами термопреобразователей – устройств, предназначенных для преобразования температуры в электрический сигнал, являются термосопротивления и термопары. Термосопротивления – датчики, принцип действия которых основан на свойстве проводника менять электрическое сопротивление пропорционально изменению температуры среды. Термопары – датчики, принцип действия которых основан на возникновении термоэлектродвижущей силы в замкнутой системе, состоящей из двух проводников с разными термоэлектрическими свойствами. Компания ОВЕН производит множество модификаций термопар и термосопротивлений. При подборе датчика нужно исходить из следующих основных критериев: температура измерения; место монтажа; расстояние от датчика до прибора.

Температура измерения

Основной показатель для выбора датчика – это измеряемая температура: максимальная при нагреве и минимальная при охлаждении. Например, для процесса термообработки металла при 1000 °C следует выбирать термопару, которая может долговременно работать при данной температуре. Это может быть хромель-алюмель ХА (К), нихросил-нисил НН (N) или более дорогая, но надежная платинородий-платиновая термопара ПП (S). При охлаждении ниже минус 70 °C – выбор за термосопротивлениями 50П и 100П, которые стабильно работают до -196 °C. На заметку. Для измерений до 400-500 °C при прочих равных условиях выбирают термопреобразователи на более высокие температуры – термопары.

Протяженность линий связи датчик-прибор

Немаловажный параметр при выборе – это расстояние между датчиком и вторичным прибором. Так, ДТ без нормирующего преобразователя (НП) (выходной сигнал «сенсор») рассчитан на относительно небольшие линии связи между датчиком и вторичным прибором (ЖКХ, печи). ДТ с НП (с выходным сигналом 4…20 мА) предназначается на расстояния более 40-50 метров (склады, теплицы и т.д.). ДТ с RS-485 рассчитаны на протяженные линии связи – до 1200 метров.

Место монтажа датчика

Сначала необходимо определиться, в какой точке процесса нужно измерять температуру. Часто производители технологического оборудования сами предусматривают места установки датчиков – в стенках агрегатов, печей уже имеются технологические отверстия, резьбовые втулки и др. Для трубопроводов чаще всего применяются датчики с резьбовым штуцером и дополнительной арматурой для монтажа – гильзами и бобышками. Но возможен и вариант применения накладных датчиков температуры.

Передача показаний

Считывающее устройство может не заработать с конкретным типом датчика. У терморегуляторов или модулей ввода есть собственный набор типов сенсоров, с которыми они могут работать. Их список указывается в Руководстве на прибор. Если планируется подключение датчика к ПЛК или программируемому реле, то, скорее всего, потребуется либо датчик с унифицированным выходным сигналом тока 4…20 мА, либо с интерфейсом RS-485. Если сигнальный кабель от места установки датчика до вторичного прибора уже проложен, или расстояние от точки измерения температуры до прибора неизвестно – следует выбирать датчик с коммутационной головкой, также этот вариант предпочтителен при измерении высоких температур. Если же расстояние известно, и температура измерения до 400 °C, то можно выбрать датчик со встроенным кабелем с заказной длиной, т.е. датчик с кабельным выводом. Если расстояние «датчик-прибор» будет составлять сотни метров – то предпочтение отдают датчику с выходным сигналом 4…20 мА или RS-485.

Типы термопар и их особенности

В качестве материала термопары используются металлы и сплавы, наилучшим образом подходящие на роль проводников-термоэлектродов. Они попарно компонуются в связки, называемые типами термопар: хромель – алюмель ХА (К), хромель – копель ХК (L), нихросил-нисил НН (N), железо-константан ЖК (J), платинородий-платина ПП (S, R), платинородий-платинородий ПП (В) и др. Различаются величиной вырабатываемой термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), температурой применения, чувствительностью, особенностями эксплуатации и т.д. Пара хромель-алюмель (К) устойчива к деформации, имеет высокую чувствительность, применяется на производстве и в лабораторных установках. В этой паре со временем происходит дрейф ТЭДС, т.е. растет погрешность измерения. Погрешность зависит от условий эксплуатации: величины рабочих температур; состава среды, с которой контактирует термопара; конструктивного исполнения термопары и т.д. Диапазон измеряемых температур термопары ХА: от -200 до +1200 ˚С, однако, не следует применять ее на предельных значениях, т.к. это приводит к ускоренному дрейфу термоЭДС (ТЭДС), и, как следствие, термопара прослужит недолго. ОВЕН рекомендует применять хромель-алюмелевые термопары (ДТПК) в диапазоне: от -40 до +1100 ˚С. Верхняя граница диапазона измеряемых температур для пары хромель-копель (L) по сравнению с предыдущей ХА ниже (ОВЕН ДТПL до +600 ˚С). К ее особенностям относятся: высокая чувствительность и высокая термоэлектрическая стабильность, т.е. ничтожно малый дрейф ТЭДС. К недостаткам – высокая чувствительность к деформации. За рубежом ХК практически не применяется, используется похожий по характеристикам тип Е. Термопара железо-константан (J) служит для измерения не очень высоких температур (до +750 ˚С). Ее отличает от других термопар стабильная работа в восстановительной среде (СО и H2). Поэтому она применяется для контроля температуры в печах для безокислительного нагрева металла. В агрегатах с восстановительной атмосферой термопары типа J будут лучшим выбором. Термопара нихросил-нисил (N) является улучшенной версией термопары ХА. Температура применения до 1250 ˚С, дрейф термоЭДС и погрешность измерения гораздо меньше. Это позволяет применять термопару типа N вместо дорогостоящих термопар, например, вместо платинородий-платиновой (S). ДТПN считается самой точной термопарой из неблагородных металлов. Класс термопар из благородных металлов: платинородий-платина (S, R), платинородий-платинородий (В) широко распространен во всем мире. Альтернативы им для измерения температур в диапазоне 1250…1600 ˚С практически не существует. Термопары типа S и R различаются содержанием родия в платинородиевом термоэлектроде (10 и 13 % соответственно). Их свойства практически идентичны. Тип S распространен в РФ, тип R – на Западе.
Термопара типа S отличается большей чувствительностью, диапазон измеряемых температур: от 0 до 1400 ˚С, кратковременно – до 1600 ˚С. Выше 1400 ˚С ДТПS длительно применять не рекомендуется – начинают расти зерна платины, изменяя генерируемую ТЭДС этой термопары. Термопара типа В развивает небольшую термоЭДС при температуре ниже 600 ˚С, поэтому для измерения низких температур не подходит. Однако, она подходит для долговременного измерения температур вплоть до 1600 ˚С, кратковременно – до 1800 ˚С. Платинородий-платиновые датчики отличаются стабильностью, высокой точностью и сопротивлением к коррозии в окислительных и нейтральных средах.

Конструктивные исполнения термопар

Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и вредных воздействий внешней среды их помещают в защитную арматуру. При изготовлении малогабаритных термопар для измерения температур до 300-400 ˚С используются трубки из латуни; для более массивных датчиков, предназначенных на температуры до 800-900 ˚С, используются трубки из нержавеющей стали. Выше 1000 ˚С и до 1250 ˚С применяются трубки из жаростойких сталей и сплавов (15Х25Т, ХН45Ю, Nicrobell), а также керамические защитные чехлы. При измерении температуры расплавов металлов и солей применяют толстостенные чехлы из серого чугуна, нитрида и карбида кремния.

Тип коммутации

По типу коммутации с приборами термопары делятся на два больших класса: с кабельными выводами и с коммутационными головками.

Датчики с кабельным выводом (рис. 2) можно подключать к измерителям, при этом нужно точно оценить длину кабеля. Такие модели рекомендуется применять до 400 ˚С. В датчиках с коммутационной головкой (рис. 3) провода для линии связи «датчик-прибор» подключаются к клеммам в головке. Этот класс стоит использовать для более высоких температур (до 800 – 900 ˚С), а также при неизвестном расстоянии между датчиком и прибором. Термопарный провод при этом приобретается отдельно. Категорически не рекомендуется подключать термопары к вторичным приборам медными или алюминиевыми проводами (рис. 4, 5). Это приведет к ошибке измерения, может повлечь брак термообрабатываемой продукции и другие непредсказуемые последствия.

Существует также третий класс – бескорпусные (поверхностные) датчики (рис. 6). Конструкция такой термопары максимально проста: термоэлектроды находятся внутри оплетки из кремнеземной нити, рабочий спай открытый, температура применения – вплоть до 300 °C.

Термометры сопротивления

Термометры сопротивления (ТС) – это датчики температуры, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления сенсора от температуры. Термосопротивления также существуют несколько видов. Рассмотрим основные характеристики наиболее часто используемых ТС. НСХ (номинально-статическая характеристика) – это самая важная характеристика ТС, которая определяет зависимость сопротивления от температуры. На рис. 7 показан диапазон измерения температур в зависимости от НСХ.

номинал сопротивления R0 (50 Ом, 100 Ом, 500 Ом, 1000 Ом);
материал чувствительного элемента (медь, платина);
температурный коэффициент α, где:
- α=0,00428 ⁰С-1 – для 50М/100М
- α=0,00391 ⁰С-1 – для 50П/100П
- α=0,00385 ⁰С-1 – для Pt100/Pt500/Pt1000
Выбор сопротивления: 50 Ом, 100 Ом или 1000 Ом

Принцип действия ТС – это изменение сопротивления сенсора при изменении температуры. Но к сопротивлению чувствительного элемента прибавляется сопротивление линий связи от датчика до прибора. Исходя из этого, лучше использовать ТС с большим сопротивлением, по сравнению с сопротивлением линии связи. Поэтому 1000 Ом – оптимальный выбор. Однако многие приборы не могут работать с таким видом НСХ, поэтому стандартом является 50 Ом и 100 Ом.

Необходимо сказать пару слов о схемах подключения ТС (рис. 8):

— некоторые приборы поддерживают только двухпроводную схему подключения ТС (например, программируемое реле ПР200). В таком случае рекомендуем выбирать именно РТ1000, чтобы минимизировать ошибку измерения

— если есть возможность, лучше использовать трех- или четырехпроводные схемы подключения. Тогда и с помощью низкоомных датчиков получится точно измерять температуру.

Что лучше: медь или платина?

От материала чувствительного элемента зависит диапазон измерения температур. Медные: от -50 до +180 ⁰С, платиновые: от -196 до +500 ⁰С. По цене: термосопротивления из меди – дешевле, из платины – дороже. Еще один показатель, который нужно учитывать при выборе материала, это стабильность и точность. В ГОСТ Р 6651-2009 приведена таблица зависимости класса точности от материала и диапазона измерения.

Отличие 100П и Pt100

Существуют следующие технологии производства чувствительных элементов: намоточная (проволочная) и тонкопленочная (рис. 9).

100П применяется в основном российскими производителями, изготавливается по проволочной технологии, работают в широком диапазоне, но сенсор достаточно громоздкий.

Рt100 на основе тонкопленочных чувствительных элементов получают напылением тонкого слоя металла на керамическую подложку с образованием токопроводящей дорожки. Этот чувствительный элемент имеет малые габариты, что позволяет использовать в моделях с малым диаметром. Также технология производства позволяет делать 500- и 1000-омные сенсоры.

Точность

Класс допуска определяет максимально допустимое отклонение от номинальной характеристики. Отклонение, как функция температуры, фиксирует наименьшее допустимое отклонение при нуле градусов. При уменьшении или увеличении температуры диапазон допустимых значений линейно увеличивается.

Существуют 4 класса допуска АА, А, В, С (рис. 10).

Класс допуска В – общепромышленное исполнение, которое является стандартом ОВЕН.

Класс допуска А и АА – заказываются для лабораторных измерений.

Выходной сигнал: сопротивление, ток или цифровой

При выборе выходного сигнала все сводится к надежности и цене. Надежность рассматривается в разрезе помехоустойчивости: токовый сигнал более помехоустойчив, чем сигнал «сопротивление»; цифровой сигнал, например, RS-485, более помехоустойчив, чем токовый.

Что касается цены: самый дешевый – сопротивление, токовый – средняя ценовая категория, самый дорогой цифровой. Но, с другой стороны, при выборе комплекта оборудования стоит учитывать, что датчики с RS-485 позволяют использовать более дешевые контроллеры, т.к. нет необходимости в аналоговых входах и применении модулей аналогового ввода.

Для выбора датчика следует обращаться в техподдержку ОВЕН, на почту support@owen.ru или заполнить и отправить опросные листы по датчикам, и мы поможем не ошибиться с выбором.

Тел: +7 (495) 64-111-56 e-mail: aip@owen.ru
111024, Москва, 2-я ул. Энтузиастов, д. 5, корп. 5
редакция АиП

© Автоматизация и Производство, 2023. Все права защищены. Любое использование материалов допускается только с согласия редакции. За достоверность сведений, представленных в журнале, ответственность несут авторы статей.

Издание зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Свидетельство о регистрации средств массовой информации ПИ № ФС77-68720.

Сравнение датчиков температуры. Часть 1, аналоговые

Проверите свою наблюдательность? Скажите, сколько датчиков температуры находится в вашем доме? Посчитаю, на примере квартиры. В холодильнике два, основная камера и морозилка; электрический чайник, умеет греть от 60 °C до 100 °C; мультиварка, имеет защиту от перегрева; газовая плита, прекращает подачу газа при отсутствии пламени и поддерживает температуру в духовке; в комнате метеостанция; в шкафу медицинский градусник; на балконе устройство для полива фиалки; в ванной водонагреватель и стиральная машина; в рабочей комнате ноутбук, а на столе паяльная станция. Наверняка датчики температуры есть и в смартфоне, но уже из перечисленного набралось больше дюжины. В ноутбуке вовсе не один датчик, AIDA64 насчитала семь. Итого: 19.

Цифровой градусник выбился в лидеры по точности показаний. Ошибка в 0.1 °С для данного прибора не страшна, ошибка в 1 °С повлияет на ваше настроение или изменит планы на день. Термостат газовой плиты стал лидером среди экстремальных значений, температура в духовке поддерживается на уровне 200…300 °С. От корреляции реальной и измеренной температуры зависит качество приготовляемого картофеля.

Создается впечатление, что невозможно разрабатывать электронику, не измеряя при этом температуру. В инженерной практике доводилось подогревать платы по сигналу DS18B20, калибровать термистор 103F-ET-1-3435F066, включать греющий кабель при росте сопротивления NTCLE100E3 выше порога, поддерживать стабильность температуры по данным от SHT40-AD1B-R2. Поводом к написанию публикации послужило наблюдение: разница показаний около 1 °С двух цифровых датчиков. Любопытство и инженерная потребность точности не позволяют пройти мимо обозначенного вопроса.

Как сравнить датчики температуры между собой? Соберём горстку разных датчиков и подключим все к микроконтроллеру. Далее организуем сбор данных и вывод на график. В силу большого объема материала публикация разделена на три части: обзор аналоговых датчиков, обзор цифровых и практика. Тем, кому по душе изучать загадочные характеристики микросхем или у кого есть насущная задача использовать датчик температуры в своей DIY разработке, предлагаю начать ознакомление с теории. Те, кого интересуют результаты, могут сразу перейти к графикам.

Для сравнения выбраны следующие датчики:

Наименование датчика

Основные характеристики

Описание

Диапазон измеряемых температур от 0°C до 1024°C, рабочий диапазон микросхемы от -20°C до +85°C, разрешение АЦП 12 бит, интерфейс SPI, корпус SO8

Цифровой датчик температуры

Диапазон измеряемых температур от -55°C до 125°C, точность ±0.5°C в середине рабочего диапазона, интерфейс 1-wire, корпус TO92

Высокоточный датчик температуры и влажности

Диапазон измеряемых температур от -40°C до 85°C, точность ±0.3°C, интерфейс I2C, корпус DFN-6

Высокоточный датчик температуры, давления и влажности

Диапазон измеряемых температур от -40°C до 85°C, точность датчика температуры ±1°C, интерфейс I2C, корпус LGA-8

Датчик температуры с функцией теплового сторожевого таймера

Диапазон измеряемых температур от -55°C до 125°C, точность ±0.5°C, интерфейс I2C, корпус SSOP8

Аналоговый датчик температуры

Диапазон измеряемых температур от -40°C до 100°C, точность ±2°C, корпус SO8

Диапазон измеряемых температур от -40°C до 125°C

Внутренний датчик температуры микроконтроллера

Диапазон измеряемых температур от -40°C до 85°C

Сбором показаний будет заниматься отладочная плата с микроконтроллером STM32G030F6P6. Прежде, чем перейти к рассмотрению самих датчиков, уделим внимание не менее важному вопросу – качеству питающего напряжения.

Источник опорного напряжения

При плохом питании у человека может наблюдаться гипотермия (пониженная температура тела), а при голодании температура, наоборот, повышается. В этом плане, датчики мало отличаются от людей, отсутствие стабильности напряжения питания не способствует росту точности показаний. В первую очередь это относится к аналоговым датчикам, опросом которых занимается АЦП.

Контроллер STM32G0 имеет всего один питающий вывод, объединенный VDD/VDDA, а на отладочной плате установлен простой линейный стабилизатор AMS1117. Так что точность измерений упадет в силу отсутствия достойной фильтрации по питанию, отсутствия полигона земли и длины соединительных проводов. Однако можно контролировать напряжение стабилизатора, ведь в микроконтроллере есть встроенный источник опорного напряжения. Принцип измерения показан на рисунке 1.

При изменении питающего напряжения показания с VREFINT также будут меняться. Для выбранного микроконтроллера значение внутреннего источника опорного напряжения составляет 1.212 В. Т.е. можно составить пропорцию:

Приведу пример на числах. Допустим с 12-и разрядного АЦП получаем значение 1516 единиц. По формуле рассчитываем:

Проверка Vpow прецизионным мультиметром дает 3.279 В, т.е. относительно VREFINT напряжение измеряется весьма точно. Расчет показаний с аналоговых датчиков привязан к уровню напряжения 3.3 В, за счет схемы питания вносится незначительная погрешность. Дополнительный контроль напряжения питания позволит убедиться в корректности показаний, а его проверка получилась без каких-либо внешних компонентов.

Датчик температуры микроконтроллера

Аналоговый датчик температуры есть внутри микроконтроллера STM32G0. Мелочь, а приятно! Вспоминается пример из практики – включение подогрева платы при температуре ниже -20 °С. Если бы тогда на борту стоял G0, удалось бы сэкономить на датчике температуры. Но добиться очень точных показаний не получится. В памяти МК данной серии сохранена только одна калибровочная константа (по адресу 0x1FFF75A8), соответствующая температуре 30 °С. Согласно документации единицы АЦП для контроллера STM32G030 изменяются пропорционально температуре с углом наклона 2.5 мВ/°С.

И сразу загвоздка: «Measured at VDDA = 3.0 V ±10 mV. The V30 ADC conversion result is stored in the TS_CAL1 byte [1]». Зачем STM поменяли напряжение питания при калибровке на 3 В остается загадка, для серии F0, например, используется 3.3 В. Соответственно необходимо пересчитать калибровочную константу TS_CAL1 на напряжение 3.3 В. Для моего контроллера получаем:

Где d – коэффициент деления, ADC_calib – значение АЦП при 30 °С из памяти.

Внимательный читатель может задаться вопросом, почему TS_CAL1 делится на d, а не умножается. Ответ скрыт где-то в толще полупроводниковых слоёв микросхемы. Все зависит от того, в верхнем или нижнем плече внутреннего делителя STM32G0 установлен термочувствительный элемент. Эксперименты показали, что на d нужно делить.

Попробуем найти уравнение температурной зависимости. Опорное напряжение в моем случае 3300 мВ, разрешение АЦП 12 бит. Имеем:

Т.е. показания АЦП изменяются на 3,1 единицы при изменении температуры на один градус при напряжении питания 3,3 В. Согласитесь, что это совсем мало. Даже учитывая, что датчик подключен к каналу внутри микросхемы, т.е. эффект помех и наводок минимален, оперировать единичными значениями не особенно удобно.

Уравнение температурной зависимости будет таким:

Проверка нескольких микросхем подтвердила, что константа TS_CAL1 слегка изменяется, STMicroelectronics действительно калибрует чипы. В итоге для моей микросхемы имеем уравнение:

Для повышения точности и экономии памяти в программе целесообразно умножить все величины на 10 (не работать с плавающей точкой) и использовать int32_t. Время измерения аналогового сигнала с внутреннего датчика температуры должно быть больше чем T_{S_temp} = 5 мкс. Также после подключения канала АЦП необходимо выждать время стабилизации сигнала t_START = 120 мкс.

Выводы по датчику температуры микроконтроллера:
1. Подходит для задач, где не требуется высокая точность;
2. Чипы калибруются, но только одним значением. Внутренний датчик температуры достался за бесплатно и это хорошо;
3. Коэффициент наклона прямой зависит от питающего напряжения, его необходимо учитывать при расчетах;
Термистор MF52

Термистор, т.е. терморезистор – это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. NTC термистор (Negative Temperature Coefficient) увеличивает свое сопротивление с уменьшением температуры, ориентировочный вид зависимости показан на рисунке 3. Мало того, что зависимость нелинейная, ещё имеется разброс сопротивлений от Rmin до Rmax для каждой точки кривой.

Однако у термистора есть одно отличительное качество – его крайне низкая цена. Поэтому при массовом производстве ширпотреба термисторы незаменимы. А характеристику можно «записать» в память и получать показания разумной точности. Но сперва разберемся с главной характеристикой – коэффициентом температурной чувствительности B.

Этот коэффициент рассчитывается на основе значений сопротивления при двух конкретных значениях температур. Например, для термистора B57164K0472 NTC 4.7 кОм, имеем значение B25/100 = 3950. Т.е. расчёт коэффициента выполнялся на основе сопротивлений, полученных при 25 °С и 100 °С. Коэффициент B измеряется в Кельвинах и рассчитывается при помощи соотношения:

Данное соотношение называется уравнением Стейнхарта-Харта. «Уравнение позволяет по измеренному сопротивлению терморезистора вычислить его температуру и обратно — по температуре терморезистора вычислить его сопротивление, обеспечивает хорошую точность во всем рабочем диапазона температур [3]»

Вычислим коэффициент B для термистора B57164K0472, необходимые данные по температуре и сопротивлению содержатся в документации.

Как видно, рассчитанное и заявленное значения практически совпали. Терморезистор B57164K0472 выбран в качестве подопытного, т.к. для него имеется таблица сопротивлений для всего диапазона рабочих температур. В противном случае замеры можно выполнить вручную, что влечет дополнительные трудозатраты.

Также можно вычислить значение температуры, зная текущее сопротивление термистора и коэффициент B:

Где R100 — сопротивление термистора при температуре 100 °С (T100), выраженных в Кельвинах. Кстати, формула действительно дает хорошее приближение, свидетельство представлено на графике:

Кривая T(R) построена по точкам документации, Tf(R) по формуле Стейнхарта-Харта. Но мы же понимаем, что вычислять натуральный логарифм внутри микроконтроллера – не самый разумный подход. Намного удобнее воспользоваться табличным методом.

Образуем резистивный делитель напряжения с термистором в качестве нижнего плеча. Изменение температуры ведет к изменению напряжения делителя, за которым наблюдает АЦП контроллера. Все подготовительные работы лучше выполнить в Excel, учесть номинал верхнего плеча и разрядность АЦП. На выходе получаем таблицу значений: зависимость единиц АЦП от температуры.

Таблицу сохраняем в память контроллера и соотносим текущее измеренное значение с тем, что хранится в таблице. Если значение совпало (попало в диапазон), текущий индекс массива пересчитываем в значение температуры. Для повышения точности разумно сделать дополнительную линейную аппроксимацию. В моем случае таблица задана с шагом 5°С, деление диапазона между точками массива на 10, позволяет получить разрешение в 0.5 °С.

Выводы по термистору MF52:
1. Зависимость сопротивления от температуры для MF52 неизвестна, но зная B = 3950, можно использовать либо таблицу от B57164K0472 либо формулу Стейнхарта-Харта. В программе лучше реализовать расчет температуры табличным методом.
2. Если мощности контроллера позволяют, то с небольшой помощью вместо логарифмов можно составить полином и вычислять температуру по формуле. Однако потребуется как минимум третья степень полинома.
3. Термистор включается в схему в верхнее или нижнее плечо делителя напряжения (от этого будет зависеть вид характеристики). Изменение сопротивления термистора приводит к изменению напряжения делителя.
4. Выбирая номиналы делителя (резистора и термистора), следует учесть, что протекающий через термистор ток вызывает его нагрев и, как следствие, искажение показаний.
5. Между термисторами MF52 в приобретённой партии наблюдается повторяемость характеристик, замеры сопротивления в комнате показали значения: 3.69 Ом, 3.64 Ом, 3.70 Ом, 3.67 Ом, 3.63 Ом, 3.61 Ом, 3.58 Ом. Значит, единожды откалибровав термистор можно более не возвращаться к этому вопросу.
6. При должной калибровке с термистором можно получить высокую точность измерений, а стоит он копейки.
Датчик температуры LM335MX

От уравнения для определения коэффициента температурной чувствительности изменяется мое артериальное давление, а от названия «соотношение Стейнхарта-Харта» темнеет в глазах. Последующая калибровка и реализация табличного метода расчёта также не добавляет энтузиазма. Как же хочется увидеть простую линейную зависимость с нормальным угловым коэффициентом. Описание микросхемы LM335 для меня, звучит словно музыка.

«Датчик температуры LM335 работает как стабилитрон с напряжением стабилизации прямо пропорциональным температуре. Датчик имеет линейную зависимость с углом наклона прямой 10mV/°K. С динамическим импедансом менее 1 Ом устройство потребляет от 400 мкА до 5 мА без изменения характеристики. Рабочий диапазон температур LM335 от -40 °С до 150 °С. [4]»

В данном случае используется другой физический процесс – зависимость напряжения пробоя (а не сопротивления) от температуры. Схема подключения датчика показана на рисунке:

При напряжении питания 3.3 В резистор в 150 Ом дает ток в 1 мА. Подстрочным резистором не сложно вывести датчик на нужную температуру, иначе ошибка может достигать нескольких градусов.

Напряжение на выходе микросхемы растёт пропорционально температуре с углом наклона 10 мВ/°С (в документации указано изменение на градус Кельвина, но угол от этого не меняется). Выведем уравнение температурной зависимости. Опорное напряжение 3300 мВ, разрешение АЦП 12 бит. Имеем:

Т.е. напряжение на АЦП изменяются показания на 12,412 единиц при изменении температуры на один градус (сравните с датчиком внутри микроконтроллера). Также из документации становится ясно, что при 25 °С напряжение на выходе микросхемы составляет 2980 мВ. Уравнение температурной зависимости:

Заявленная точность измерения температуры после калибровки составляет менее 1 °С практически во всем рабочем диапазоне, соответствующая кривая приводится в документации. Как и в случае с термистором, важно ограничить протекающий через микросхему ток, не потворствовать самонагреву, следить за стабильностью питающего напряжения. Дополнительное внимание следует уделить выбору корпуса микросхемы и трассировке печатной платы. Общая идея проста – трассировать плату так, чтобы обеспечить температуру микросхемы равной температуре измеряемого объекта.

Выводы по датчику температуры LM335:
1. Микросхема имеет линейную характеристику, что облегчает снятие показаний;
2. Для достижения точности менее 1 °С требуется калибровка подстроечным резистором;
3. Имеется исполнение в нескольких типах корпуса;
Преобразователь термопары MAX6675

На любой зависимости некоторого процесса от температуры можно сделать термодатчик. Но не каждый датчик получится сделать простым, компактным и надежным. Термопара представляет интересный случай, когда малый размер датчика, простота, хорошая точность показаний и очень широкий рабочий диапазон соединяются в одном устройстве.

В основу принципа работы термопары положен термоэлектрический эффект, называемый также эффектом Зеебека. Оказывается, что если соединить последовательно два разнородных металлических проводника, и затем нагреть место соединения, то возникнет некоторая разность потенциалов. Далее делаем два спая, один «рабочий», другой «холодный» и соединяем их между собой. Рабочий спай помещаем в измеряемую среду, а холодный держим при температуре 0 °С. При разных температурах спаев по термоэлектродам протекает ЭДС, прямо пропорциональная разности этих температур. Хорошую демонстрацию эффекта Зеебека можно посмотреть по ссылке.

В качестве материалов термоэлектродов применяются различные сплавы, что определяет характеристики термопар и возможности их применения. Согласно ГОСТ Р 8.585-2001 термопары разделяются на типы: E (хромель-константан), J (железо-константан), K (хромель-алюмель), M (медь-копель), N (нихросил-нисил) и другие. Дело остается за малым, точно измерить возникающую в результате нагрева или охлаждения спая разность потенциалов. На помощь приходит микросхема MAX6675, блок-диаграмма которой показана на рисунке 6.

Для точности измерений холодный спай должен всегда иметь неизменную температуру. Поскольку этого довольно сложно добиться, применяются компенсационные схемы. MAX6675 высчитывает температуру относительно виртуального нуля, учитывая температуру окружающей среды. Последняя определяется при помощи термочувствительного диода. Для термопары типа K напряжение в цепи изменяется на 41 мкВ/°C, напряжение на электродах определяется соотношением:

Зная характеристику термопары и температуру окружающей среды Tamb из данного соотношения не трудно найти температуру рабочего спая Tr.

В документации на MAX6675 приводится ряд рекомендаций по трассировке микросхемы. Часть требований относится к толщинам дорожек и полигонам, но встречаются и более необычные. Например, производитель рекомендует избегать механического напряжения на плате и вибраций, рекомендуется периодически проверять и записывать сопротивление термопары. Все это говорит о том, что процесс измерений намного сложнее, чем кажется с первого взгляда. Когда речь идет о величинах порядка десятков микровольт, измерительной схеме нужно уделить особое внимание.

Выводы по конвертеру термопары MAX6675:
1. Работать с термопарой намного сложнее чем с термистором, нужна более сложная схема измерения напряжения. MAX6675 освобождает нас от лишней работы, представляя готовое решение с цифровым интерфейсом SPI.
2. В ряде случаев термопара незаменима, т.к. позволяет измерять температуры от -200 до 1250 ⁰ С (нихросил-нисил, тип N).
3. Для снятия показаний термопары вместо MAX6675 можно использовать схему, собранную на дискретных компонентах. Часто применят каскад на операционному усилителе.
Аналоговые датчики незаменимы

В старых утюгах в качестве датчика температуры использовалась биметаллическая пластина, разрывающая электрическую цепь в случае сильного нагрева. Аналогично работала защита от гашения пламени в старых газовых котлах. Нагрев «фитилька» приводил к изгибу пластины, конец которой удерживал газовый клапан в открытом положении. Это примеры механических датчиков температуры, рассчитанных на одно пороговое значение. Такие датчики, в отличие от термистора, трудно разместить в компактном корпусе и превратить в цифровые. Очевидно, что любой цифровой датчик – это аналоговый датчик + цифровой интерфейс. Именно о них пойдет речь во второй части публикации: «Сравнение датчиков температуры. Часть 2, цифровые».

Ресурсы
1. Документация на микроконтроллер STM32G0F6P6;
2. Измерение температуры с помощью NTC термистора;
3. Уравнение Стейнхарта – Харта для расчета терморезисторов с отрицательным температурных коэффициентом;
4. Документация на микросхему LM335M;
5. Документация на микросхему MAX6675;
6. Демонстрация эффекта Зеебека.
Как проверить температуру охлаждающей жидкости

Специалисты расскажут, как проверить температуру охлаждающей жидкости. Инструкция по проверке и устранению неисправностей пошагово.

Тепловые зазоры деталей бензиновых и дизельных моторов рассчитываются инженерами и конструкторами с учетом прогрева до определенной рабочей температуры. Поэтому силовой агрегат автомобиля реализует заложенные мощностные и динамические характеристики в определенном температурном диапазоне. Пагубно влияют на непрогретый мотор высокие обороты сразу после его пуска, но еще большую опасность вызывает перегрев. Водитель авто должен постоянно контролировать степень нагрева силового агрегата. Для этого нужно знать, как проверить температуру охлаждающей жидкости и каким способом контролировать ее во время поездки.

Температурный датчик: назначение и неисправности
- регулировка подачи топлива в цилиндры силового агрегата;
- коррекция угла опережения зажигания;
- включение или выключение вентилятора радиатора охлаждения.
Датчик представляет собой термистор, сопротивление которого уменьшается при нагреве. Он помещен в специальный корпус, контактирующий с охлаждающей жидкостью, циркулирующей в системе. При неправильном измерении датчиком температуры ОЖ и передаче в ЭБУ заниженных или завышенных значений возможны следующие негативные моменты:
- рывки при наборе скорости автомобилем;
- увеличенный расход топлива;
- плавающие обороты холостого хода;
- затруднительный пуск мотора;
- перегрев двигателя и полная остановка;
- отсутствие сигналов на включение вентилятора;
- детонация в цилиндрах.
Как водитель контролирует нагрев ОЖ

Для определения температурного режима работы силового агрегата на приборной панели предусмотрен индикатор со шкалой, показывающий фактический нагрев теплоносителя в системе. Шкала содержит цифровые значения градусов, а также цветовые элементы для акцентирования внимания водителя на граничных значениях нагрева охлаждающей жидкости. По прибору удобно контролировать:
- процесс прогрева силового агрегата;
- достижение мотором рабочего температурного режима;
- нагрев системы до критического значения.
Исправно работающая система охлаждения позволяет поддерживать оптимальный режим работы силового агрегата в диапазоне +80‒90 °С, несмотря на то что при сгорании горючей смеси температура в цилиндре составляет более +2 000 °С. Данное температурное значение считается оптимальным для работы силового агрегата. Благодаря индикатору водитель своевременно определит возможное закипание ОЖ, успеет остановить машину и заглушить мотор для устранения неисправностей.

Измерение температуры теплоносителя

При выходе из строя температурного датчика существует альтернативный способ, как проверить температуру охлаждающей жидкости. Для этой процедуры можно воспользоваться мультиметром (тестером) с функцией измерения температуры. Подойдет обычный бытовой прибор. Мультиметры с функцией измерения степени нагрева комплектуются специальной термопарой. Процесс определения нагрева проводится в следующей последовательности.
- Прикрепить датчик мультиметра к датчику охлаждающей жидкости, установленному на блоке цилиндров.
- Для прочной фиксации воспользоваться силиконом.
- Через определенное время (несколько минут) на дисплее прибора считать значение температуры охлаждающей жидкости.
Также полученное значение позволяет сделать вывод о температурном режиме силового агрегата. Нагрев непосредственно антифриза можно измерить аналогичным способом, зафиксировав датчик мультиметра силиконом на патрубке. При использовании термопары для проведения измерений необходимо обеспечить надежный контакт с поверхностью. Приборы способны измерять значения в широком диапазоне, поэтому подходят для водителей, которые решают, как проверить температуру охлаждающей жидкости при неисправности датчика.

Опасность перегрева двигателя

Если не осуществляется контроль над температурой ОЖ, то при неисправности системы водитель не сможет своевременно принять меры для недопущения повышения нагрева до критического значения. В результате:
- антифриз начинает кипеть и усиленно испаряться;
- от двигателя не отводится излишек тепловой энергии;
- детали цилиндропоршневой группы перегреваются;
- деформируются элементы контура;
- тепловые зазоры сокращаются до критического значения, и происходит заклинивание поршней.
Для восстановления двигателя после такой неисправности потребуется проведение дорогостоящего капитального ремонта. При использовании в системе охлаждения дистиллированной воды температура кипения составляет +100 °С, поэтому использование специального состава с температурой кипения не менее +110 °С намного эффективнее и безопаснее для мотора.

Восстановление температурного режима

При загорании сигнального индикатора (лампочки) на панели приборов или, когда стрелка указателя температуры показывает критические значения, а также после появления других признаков перегрева охлаждающей жидкости водитель должен сразу заглушить мотор и принять меры для устранения проблемы. Необходимо выполнить:
- диагностику (визуальный осмотр) контура перед заливанием охлаждающей жидкости на отсутствие протечки;
- тестирование радиатора на целостность (герметичность);
- проверку уровня антифриза в расширительном бачке;
- при пониженном уровне долить требуемый объем жидкости.
Для недопущения перегрева необходимо проверять исправность электронного датчика. Современные модели автомобилей имеют встроенную систему диагностики, поэтому нужно обращать внимание на исправность контрольной лампочки на приборной панели. Визуальный контроль уровня охлаждающей жидкости в расширительном бачке должен осуществляться водителем систематически.

Каждый водитель должен знать, как проверить температуру охлаждающей жидкости, чтобы обеспечить безопасную работу двигателя в любых условиях эксплуатации. Работа силового агрегата эффективна при оптимальном нагреве антифриза. Автопроизводители рекомендуют начинать движение сразу после пуска мотора, не раскручивая силовой агрегат до высоких оборотов. В таком режиме температура охлаждающей жидкости поднимется до рабочего показания значительно быстрее.
Похожие публикации: