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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
- drugi w sterowniku LPG Stag 300 - schemat zrysowany ze sterownika.
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.
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.
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:
oraz dla zwartego czujnika:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
- drugi w sterowniku LPG Stag 300 - schemat zrysowany ze sterownika.
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.
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.
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:
oraz dla zwartego czujnika:
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
