Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

grala1 02 May 2021 18:16 1965 9
  • Dość często korzystam z działu "Samochody Serwis" na tym forum.
    Widzę że dużo osób ma problem z interpretacją błędów odczytanych poprzez urządzenie diagnostyczne.
    Chciałbym tutaj przybliżyć sposób pomiaru temperatury przez różnego rodzaju czujniki w autach - myślę że pozwoli to innym zrozumieć lepiej jak to działa i co sterownik mówi do nich poprzez wyświetlane błędy (a dokładniej ich opisy).
    W większości przypadków do pomiaru temperatury jako sondy/czujniki pomiarowe wykorzystuje się termistory, zazwyczaj typu NTC.
    Termistor jest typem rezystora gdzie rezystancja zależna jest od jego temperatury.
    Najbardziej znanymi rodzajami termistorów są:
    - NTC - o ujemnym współczynnik temperaturowym. W tym przypadku wzrost temperatury powoduje zmniejszenie rezystancji;
    - PTC - o dodatnim współczynnik temperaturowym. W tym przypadku wzrost temperatury powoduje zwiększenie rezystancji.

    Zatem można powiedzieć że większość czujników temperatury w aucie to termistory. Dzięki nim sterowniki mierzą temperaturę powietrza zasysanego przez silnik, temperaturę silnika. Oczywiście nie wykorzystuje się ich tylko dla pomiarów przy silniku. Znajdziemy je również w układach dla pomiaru temperatury zewnętrznej (czujniki montowane za kratkami zderzaków, w lusterkach), temperatury w kanałach wentylacyjnych i np. w podgrzewanych fotelach (czujniki "zabudowane" w matach grzewczych).
    Tutaj przykład czujnika temperatury silnika.

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    Widać również na zdjęciu że jest to termistor - mamy znak termistora na rysunku.

    Można również natrafić na różnego rodzaju termopary, zazwyczaj w układach wydechowych gdzie mamy do czynienia z dość dużymi temperaturami - tutaj raczej nie znajdziemy termistorów.

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    By dobrze wytłumaczyć jak dokonywany jest pomiar temperatury z udziałem termistora muszę tutaj wspomnieć o czymś takim jak spadek napięcia, prawo Ohma czy drugie prawo Kirchhoffa. Osobny znające te zagadnienia mogą pominąć tą cześć artykułu.

    Na poniższym rysunku widzimy rezystor w obwodzie prądu stałego.

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    W prostych słowach, prawo Ohma mówi że prąd płynący przez rezystor jest równy ilorazowi napięcia panującego na jego zaciskach i jego rezystancji.
    Czyli:
    I=U/R

    Oczywiście jak to bywa w matematyce wzór ten możemy przekształcać i możemy otrzymać dwa inne:
    R=U/I

    oraz
    U=I*R

    R - rezystancja
    U - napięcie
    I - prąd

    Do naszego rysunku dołożymy teraz spadek napięcia.

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    Oczywiście mówimy tutaj tylko o obwodach prądu stałego więc nasz spadek napięcia to zmniejszenie napięcia (różnicy potencjału elektrycznego) między dwoma punktami obwodu gdzie płynie prąd.
    Można go wyliczyć oczywiście z prawa Ohma.

    Widać tutaj że spadek napięcia jest równy napięciu zasilania, ma on tylko inny kierunek.
    By było to lepiej widać w układzie damy dwa rezystory.

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    Każdy rezystor ma swój własny spadek napięcia. Widać tutaj że suma tych spadków napięcia jest równa napięciu zasilania.
    Tutaj właśnie wskakuje nam drugie prawo Kirchhoffa, które mówi że w zamkniętym obwodzie elektrycznym suma spadków napięć równa jest sumie sił elektromotorycznych występujących w tym obwodzie.
    Mamy tutaj do czynienia tylko z jedną siła elektromotoryczną i jest to nasze źródło zasilania - 5VDC. Widać że suma spadków w tym obwodzie jest równa właśnie napięciu zasilania.
    Ktoś kiedyś wpadł na genialny pomysł i wykorzystał to przy rezystancyjnym dzielniku napięcia.
    Jak to działa?
    Dokładnie jak na naszym wcześniejszym rysunku - napięcie wyjściowe przyjmuje wartość jednego ze spadków napięcia.

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    Wzór jest taki:
    U1=Uz*R1/R1+R2
    U1=I*R1 czyli dokładnie tyle ile nasz spadek napięcia UR1.

    Dla drugiego napięcia
    U2=Uz*R2/R1+R2
    U2=I*R2 czyli dokładnie tyle ile nasz spadek napięcia UR2.

    By łatwo się liczyło przyjmijmy za Uz=12V, R1=3Ω , R2=9Ω.
    Prąd w obwodzie to:
    I=Uz/R1+R2=12/3+9=1A
    U1=Uz*R1/R1+R2=12*3/3+9=3V
    U1=I*R1=1*3=3V
    U2=Uz*R2/R1+R2=12*9/3+9=9V
    U2=I*R2=1*9=9V

    Uz=U1+U2
    12V=3V+9V

    Jak widać z powyższych obliczeń spadek napięcia na rezystorze jest równy napięciu na odpowiednim wyjściu dzielnika a suma spadków napięć czy suma napięć na wyjściu dzielnika równa jest napięciu zasilania.

    Znając już to wszystko o czym wyżej wspomniałem możemy przejść do tego w jaki sposób sterownik mierzy temperaturę.

    Poniżej przykładowy układ pomiaru napięcia.

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    Mamy tutaj zabudowany w sterowniku rezystor pomiarowy R (zwykły rezystor, gdzie znamy jego dokładną rezystancję - stosuje się tutaj rezystory o dość niskiej tolerancji, np. 1% lub mniejszej. Czym mniejsza tym bardziej dokładny może być pomiar. Przy 1% tolerancji, odchyłka dla rezystora 100Ω wynosi 1Ω, czyli taki rezystor może mieć wartość rzeczywistą w przedziale 99-101Ω), który podłączony jest do wyjścia pomiarowego gdzie będzie podłączony do niego szeregowo nasz czujnik RT(termistor).
    Kto był uważny to zauważył że pojawił nam się tutaj właśnie rezystancyjny dzielnik napięcia.
    Na termistorze dokonywany jest pomiar spadku napięcia na nim. Spadek ten mierzony jest poprzez wejście ADC na uP (mikroprocesor). ADC jest to przetwornik analogowo-cyfrowy, który zamienia wartość napięcia na wartość cyfrową która jest później przeliczana przez program uP.
    Skoro rezystancja termistora jest zależna od temperatury a my znamy tą zależność (jaka rezystancja przy jakiej temperaturze) to bez problemu możemy wyliczyć sobie jaki będzie spadek napięcia na nim. Możemy w ten sposób stworzyć sobie tabele spadków napięcia na termistorze w stosunku do jego temperatury. Dzięki tej tabeli będziemy wiedzieć jaką temperaturę ma nasz termistor.
    Układ pomiarowy dokonuje tylko pomiaru napięcia, nie ma tutaj pomiaru prądu. Należy pamiętać że prąd w tym układzie zależy od temperatury termistora (zmiana rezystancji termistora w zależności od temperatury) z tego powodu należało by najpierw wyznaczyć zależność napięcia na termistorze od temperatury w tym układzie. Wymiana termistora na inny (większa lub mniejsza wartość rezystancji przy tej samej temperaturze) spowoduje oszukanie układu pomiarowego gdyż inny termistor będzie posiadał inną zależność napięcia do temperatury.

    Trzeba zauważyć że w tym układzie dość ważną rolę odgrywa wartość napięcia zasilająca nasz dzielnik. Ta wartość napięcia musi być stała by zapewnić poprawny pomiar. Zazwyczaj to napięcie pomiarowe to 5VDC. Dokonując pomiaru napięcia na jednym z elementów tak naprawdę znamy od razu wartość napięcia na drugim elemencie bo suma tych napięć musi być równa sumie napięcia zasilania.

    Jak widać pomiar napięcia poprzez termistor jest dość prosty.

    Poniżej dwa przykłady układów pomiarowych:
    - jeden w sterowniku silnika Porsche 911
    Tutaj znajdziecie schemat sterownika

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    - drugi w sterowniku LPG Stag 300 - schemat zrysowany ze sterownika.

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    W pierwszym przypadku termistor połączony jest równolegle z rezystorem 6.19kΩ. Napięcie z dzielnika trafia na odczyt ADC poprzez szeregowo podpięty rezystor 22kΩ.Na rezystorze tym również pojawia się spadek napięcia ale jest tak mały że można go pominąć - jest to mniej niż kilka dziesiątych wolta. Spadek ten zależy od tego jak duży jest prąd płynący przez ten rezystor a obciążeniem tutaj jest tylko przetwornik ADC.

    W drugim przypadku wygląda to dość podobnie. Brak jest tylko rezystora podłączonego szeregowo do termistora. Układ ten bardzo przypomina nasz przykładowy układ pomiarowy z rysunku 7. Mamy tutaj tylko dołożoną szeregowo rezystancję pomiędzy dzielnikiem a ADC, która jak już wyżej wspominałem niewiele zmienia przy pomiarze napięcia.

    Poniżej przedstawię jeszcze kilka różnych możliwych scenariuszy usterek w aucie.
    Możemy mieć tutaj uszkodzenie termistora polegające na jego zwiększonej rezystancji - przerwa, zmniejszonej - zwarcie (z takim przypadkiem jeszcze nie miałem do czynienia), przerwany przewód podający masę na termistor, przerwany przewód pomiędzy termistorem a ECU oraz zwarcie przewodu pomiędzy termistorem a ECU do masy.
    Jak widać opcji jest kilka ale niektóre z nich dają ten sam efekt. W związku z tym możemy wyróżnić tylko 2, nie licząc zmienionej charakterystyki termistora.

    - zwarcie do masy.

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    W tym przypadku możemy mówić o zwarciu w czujniku lub zwarciu do masy za termistorem. Tutaj odczyt na ADC będzie wynosił 0V.

    - przerwa w obwodzie.

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    W tym przypadku możemy mówić np. o uszkodzonym termistorze (gigantyczny wzrost rezystancji termistora), przerwanym przewodzie doprowadzającym masę do termistora lub przerwanym przewodzie pomiędzy termistorem a ECU. Tutaj odczyt na ADC pokażę napięcie zasilania dzielnika czyli 5V.

    Zazwyczaj w normalnych warunkach pracy silnika charakterystyka termistora nie jest wykorzystywana w pełni. Można przyjąć że normalna temperatura silnika zawiera się w przedziale -25°C do 130°C, z tego to powodu sterownik jest w stanie rozpoznać czy czujnik lub jego instalacja jest uszkodzona.
    Sterowniki silnika mogą również rozpoznać usterkę czujnika temperatury poprzez porównanie w odpowiednich warunkach jego odczytu do odczytu z innych czujnikach w aucie - np. czujnik temperatury paliwa, powietrza zasysanego itp. Można również w niektórych autach odnieść pomiar z czujnika do czasu pracy silnika – np. w autach gdzie mamy sterowany termostat - dodatkowa grzałka w termostacie za pomocą której sterownik może przyśpieszyć otwarcie termostatu.
    W przypadku odczytu temperatury który dla sterownika silnika jest poza tolerancją, sterownik włącza wentylatory na chłodnicy oraz wyłącza klimatyzację (by zapobiec ewentualnemu przegrzaniu silnika - takie dmuchanie na zimne) oraz może przyjąć "zastępczą" temperaturę silnika dla obliczeń np. na podstawie innych czujników temperatury - np. czujnika temperatury powietrza zasysanego (IAT) - to zależy od inwencji twórczej osoby piszącej program dla sterownika silnika.

    Poniżej odczyty dla odłączonego czujnika temperatury:

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    oraz dla zwartego czujnika:

    Sposób realizacji pomiaru temperatury w motoryzacji

    Jak widać w jednym z przypadków mamy do czynienia z tą samą sytuacją ale mamy 2 różne kody błędów gdzie w jednym mamy opis "sygnał za wysoki" w drugim jest zaś opis "sygnał za niski". Patrząc po nr kodu dla układu napędowego czyli Pxxxx w jednym przypadku jest od dla zwarcie, w drugim mamy go przy odłączonym czujniku.
    Widzimy również że przy odłączeniu czujnika, sterownik silnika widział tam -40°C, zaś przy zwarciu na czujniku 141°C.

    Mam nadzieję ze opis ten pomógł Wam zrozumieć zasadę pomiaru temperatury w motoryzacji za pomocą termistorów.

    Zachęcam do komentowania i przedstawiania swoich uwag.

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    grala1
    VAG group specialist
    Offline 
    grala1 wrote 9311 posts with rating 3330, helped 1281 times. Live in city Kalisz. Been with us since 2006 year.
  • IGE-XAOIGE-XAO
  • #2
    Galareta
    Level 22  
    Fajnie się czytało, więcej takich artykułów poproszę:)

    Same obwody wejściowe w sterownikach sa jeszcze wyposażone w układy zapobiegające przepięcia lub czasami źródła prądowe.

    Ogolna zasada działania bardzo ładnie przedstawiona.
  • IGE-XAOIGE-XAO
  • #3
    adamGazda
    Level 15  
    grala1 wrote:
    - drugi w sterowniku LPG Stag 300 - schemat zrysowany ze sterownika.

    Trochę dziwnie mały wychodzi zakres pomiarowy napięcia tego konkretnego sterownika. Według parametrów rezystorów zamieszczonych na rysunku to napięcie docierające do ADC poczynając od zwarcia termistora do rozwarcia jego obwodu mieści się w zakresie 4,54 V do 5 V, ale może taki zakres ma być?
  • #4
    ArturAVS
    Moderator of HydePark/Cars
    adamGazda wrote:
    Według parametrów rezystorów zamieszczonych na rysunku to napięcie docierające do ADC poczynając od zwarcia termistora do rozwarcia jego obwodu mieści się w zakresie 4,54 V do 5 V, ale może taki zakres ma być?


    Wiele zależy od charakterystyki samego termistora który jako element nieliniowy może w różny sposób reagować na zmiany temperatury, taki zakres pomiarowy może też wynikać z chęci wykorzystania najbardziej liniowego odcinka tej charakterystyki bez wyliczania dodatkowych danych korekcyjnych. Spójrz np. tu; https://botland.com.pl/blog/termistor-definicja-zastosowania-i-dzialanie/
  • #5
    Sam Sung
    Level 32  
    Dzięki zwłaszcza za praktyczne przykłady produkowanych masowo układów.
    grala1 wrote:
    stosuje się tutaj rezystory o dość dużej tolerancji, np. 1% lub większej. Czym większa tym bardziej dokładny może być pomiar
    Jak to jest z tą tolerancją? Wydawało mi się, że właśnie np. 10% to duża tolerancja (albo duży zakres tolerancji), a 1% to mała / wąska tolerancja. Czyli - odwrotnie niż w artykule - im większa tolerancja, tym mniej dokładny pomiar...
  • #6
    grala1
    VAG group specialist
    adamGazda,Sam Sung - panowie, dziękuje za czujność.
    Faktycznie popełniłem błąd przy tworzeniu rysunków z notatek - odwróciłem rezystory w dzielniku i pomyliłem się o jedno "0" przy jednym rezystorze.
    Faktycznie byłby bardzo mały zakres zmiany napięcia na termistorze.
    Co do tolerancji - faktycznie kolega ma rację, źle ubrałem to w słowa. Poprawiłem oraz wstawiłem w tekst przykład, który chyba rozwieje wszelkie niejasności na temat tolerancji, np. czy niska tolerancja to możliwa duża zmiana wartości rzeczywistej czy może jednak mała zmiana.

    Widzę że tekst czytacie dokładnie i ze zrozumieniem.
  • #7
    siewcu
    Level 34  
    Wiesz w czym jest problem? To nie jest pomiar temperatury w motoryzacji, tylko pomiar temperatury za pomocą termistora. Z motoryzacji jedyne co można by było użyć to ostatnia rzecz - wskazanie wartości odczytywanej przez urządzenie przy wyjęciu czy zwarciu czujnika... Poza tym napisałeś o motoryzacji, wspomniałeś o termoparze ale o realizacji pomiaru temperatury przy tym czujniku zero informacji. Niby dobrze zrobione, ale tytuł wprowadza w błąd i zawartość średnio ma z nim związek...
  • #8
    varaktor
    Level 12  
    siewcu wrote:
    Wiesz w czym jest problem? To nie jest pomiar temperatury w motoryzacji, tylko pomiar temperatury za pomocą termistora


    No i już nie wspominając o tym, że podstawowe układy pomiarowe (źródła prądowe, multipleksery) nie zostały poruszone. Dużo pisania o niczym.
  • #9
    tzok
    Moderator of Cars
    ...ale została pokazana korelacja między typem usterki, a opisem błędu wraz uzasadnieniem. Dla początkującego to powinno wyjaśnić.

    W swoich tłumaczeniach starałem się pisać "zwarcie do zasilania/przerwa w obwodzie" i "zwarcie do masy". Niestety nie ma 100% pewności, że sytuacja widziana jako zwarcie do zasilania, jest tożsama z przerwą w obwodzie, do tego konieczna jest znajomość budowy obwodu wejściowego czujnika po stronie ECU. Prawdopodobnie dlatego po odłączeniu czujnika w jednym sterowniku widać błąd sygnał za wysoki, a w innym sygnał za niski.
  • #10
    siewcu
    Level 34  
    I do tego mamy ramki zamrożone, które pokazują temperaturę. Opisy kodów błędów są takie a nie inne, bo możliwości diagnostyki czujników od strony elektronicznej ECU też są ograniczone. Przypuszczam, że gdyby ECU miało mieć wbudowaną pełną diagnostykę każdego czujnika, łącznie z elektroniką, to w kabinie byłoby jedno miejsce zabrane na samo to. Przerwa w obwodzie jest prosta do sprawdzenia akurat, multimetr w rękę i przejście na przewodzie między kostkami. I jak po wymianie czujnika i "drożnym" przewodzie dalej jest problem to można szukać... Inaczej to się mija z celem. A i tak 99% przypadków to uszkodzony sam czujnik lub kostka przy nim. Choć i tak to drugie zdarza się bardzo rzadko - na wiele czujników, które wymieniłem w samochodach, tylko raz trafiłem na taki problem, i to nie przy czujniku temperatury, a map sensorze.