Badanie czujników ciśnienia i temperatury

Czujniki ciśnienia i temperatury
1
Czujniki ciśnienia i temperatury
1. Elektryczne urządzenia pomiarowo-kontrolne
Ze względu na sposób przekazywania wyników pomiaru urządzenia pomiarowo-kontrolne
podzielić można na dyskretne, w których elementem sygnalizacyjnym jest najczęściej lampka
kontrolna i analogowe, wyposażone w mierniki wskazówkowe.
Schemat typowego dyskretnego układu sygnalizującego spadek ciśnienia i nadmierny
wzrost temperatury cieczy chłodzącej przedstawiano na rysunku 1.
Nadajnik ciśnienia 1 połączony z układem smarowania silnika zawiera sprężystą przeponę 2
związaną z ruchomym stykiem 3. Gdy ciśnienie panujące w komorze jest niskie, połączony z masą
styk 3 jest zwarty z nieruchomym stykiem 4, co powoduje palenie się lampki kontrolnej 5. We
wnętrzu nadajnika temperatury 6 znajduje się sprężyna termobimetalowa 7 zmieniająca kształt pod
wpływem zmian temperatury. Przy jej nadmiernym wzroście sprężyna 7 przybiera kształt łuku
(linia przerywana) i zwiera styki nadajnika powodując zaświecenie lampki 9. Z uwagi na groźne
następstwa spadku ciśnienia oleju w układzie smarowania stosuje się częsta połączenie obydwu
lamp 5 i 9 za pomocą diody 10. Dzięki takiemu rozwiązaniu, w chwili zwarcia styków nadajnika
ciśnienia zapalają się obydwie lampki kontrolne, co eliminuje niebezpieczeństwo niezauważenia
tego stanu na skutek np. przepalenia się jednej z żarówek {prawdopodobieństwo równoczesnego
przepalenia się obydwu żarówek jest niezmiernie małe). Innym celem stosowania diody jest
kontrola funkcjonowania obydwu żarówek po włączeniu instalacji elektrycznej, gdy przy zimnym
silniku styki nadajnika temperatury są rozwarte i po włączeniu zapłonu lampka sygnalizatora
temperatury nie zaświeciłaby się, uniemożliwiając tym samym jej kontrolę.
Rysunek 1. Elektryczny sygnalizator przyrostu temperatury i spadku ciśnienia
1 - nadajnik ciśnienia; 2 - przepona sprężysta; 3 - styk ruchomy nadajnika ciśnienia; 4 - styk nieruchomy nadajnika ciśnienia; 5 - lampka kontrolna
spadku ciśnienia; 6 - nadajnik temperatury; 7 - sprężana t.ermobimetalowa; 8 - styki nadajnika temperatury; 9 - lampka kontrolna temperatury; 10 dioda
Na ogół analogowe układy pomiarowo-kontrolne z miernikami wskazówkowymi
należącymi do jednej z dwóch grupy magnetoelektrycznych mierników ilorazowych - tzw.
logometrów lub amperomierzy termoelektrycznych, stosowane są najczęściej w samochodach
starszych.
Ponieważ identyfikacja rodzaju miernika (magnetoelektryczny czy termoelektryczny) jest
ważna ze względów diagnostycznych, należy pamiętać, że cechą charakterystyczną układów
logometrycznych jest gwałtowny skok wskazówki po włączeniu zasilania (stacyjki). Wskazania
amperomierza termoelektrycznego w podobnych warunkach zmieniają się powoli i płynnie.
We wskaźnikach ciśnienia funkcję nadajnika spełnia potencjometr drutowy 1, którego
suwak 2 połączony jest z przeponą metalową 3 (rysunek 2). W nadajniku temperatury (rysunek 3)
wykorzystano tzw. termistor, tj. opornik wykonany z materiału zmieniającego swoją rezystywność
(oporność właściwą) przy zmianie temperatury.
Czujniki ciśnienia i temperatury
Rysunek 2. Nadajnik ciśnienia
Rysunek 3. Nadajnik temperatury
1 - potencjometr; 2 - suwak potencjometru;
3 - przepona sprężysta; 4 - końcówka nadajnika
1 - obudowa; 2 - termistor
2
Dzięki tej własności nadajnik ten w przeciwieństwie do poprzednio opisanych nie zawiera
żadnych elementów ruchomych.
Zaletą logometrycznych układów pomiarowych jest wysoka dokładność wynikająca
z niewrażliwości układu na wahania napięcia zasilającego i niewielki pobór prądu. Wadą układu
jest mała bezwładność wskazówki.
2. Kontrola pracy układu chłodzenia
Urządzenie do pomiaru temperatury płynu chłodzącego (rysunek 4) w układzie chłodzenia
silnika składa się z czujnika temperatury płynu chłodzącego i połączonego z nim wskaźnika
temperatury tego płynu. Zasada działania takiego urządzenia polega na odkształceniu się
bimetalowej płytki czujnika pod wpływem temperatury, jak również odkształceniu podobnej płytki
wskaźnika z nim współpracującego.
Przy wyłączonym napięciu zasilania układu styki 1 i 2 czujnika są zwarte, wskazówka 7
wskaźnika odchyla się poza 100°C (stan zimny). Po włączeniu napięcia wyłącznikiem 9
w obwodzie popłynie prąd. Płytka bimetalowa 6 wskaźnika nagrzewa się i powoduje odchylenie
wskazówki 7 w skrajne prawe położenie, odpowiadające temperaturze ok. 40°C. Jednocześnie
nagrzewa się płytka bimetalowa 4 czujnika od ciepła wytworzonego przez uzwojenie grzejne 3,
powodując rozwarcie styków 1 i 2. Następuje przerwa w obwodzie, płytki stygną, a styki 1 i 2
zwierają się ponownie. Ten cykl pracy powtarza się z coraz mniejszą częstotliwością w miarę
nagrzewania się silnika. Ze wzrostem temperatury płynu chłodzącego ulegają zmianie czasy
stygnięcia i nagrzewania się płytki bimetalowej 4 czujnika.
Rysunek 4. Schemat urządzenia do pomiaru temperatury wody
1, 2 - styki czujnika; 3 - uzwojenie grzejne czujnika; 4 - płytka bimetalowa czujnika; 5 - zacisk czujnika; 6 - płytka bimetalowa wskaźnika;
7- wskazówka; 8 - uzwojenie grzejne wskaźnika; 9 - wyłącznik zapłonu; 10 - wskaźnik; 11 - płyn chłodzący; 12 - korpus silnika
Czujniki ciśnienia i temperatury
3
Czas stanu zwarcia styków 1 i 2 zmniejsza się (ciepło otoczenia wpływa na bimetal),
natomiast czas stanu rozwarcia styków znacznie się zwiększa, ponieważ dłużej trwa przejmowanie
ciepła z nagrzanego bimetalu przez powietrze wewnątrz czujnika. Wskaźnik wskazuje coraz
wyższą temperaturę płynu chłodzącego, odpowiadającą wzrastającemu nagrzewaniu silnika. W celu
wyeliminowania wpływu zmiennej temperatury otoczenia na wskaźnik, kształtuje się jego płytkę
bimetalową 6 w kształcie litery U. Przy zmianach temperatury obydwa ramiona bimetalu wskaźnika
wyginają się jednakowo, lecz w przeciwnych kierunkach, wskutek czego położenie swobodnego
końca ramienia roboczego nie ulega zmianie, a więc i wskazówka nie zmienia swego odchylenia.
W wielu samochodach czujnikiem układu chłodzenia jest termistor umieszczony
w obudowie, która styka się bezpośrednio z płynem chłodzącym. Działanie układu jest związane
z właściwością termistora, polegającą na zmniejszeniu (termistory typu NTC) lub wzroście
(termistory typu PTC) jego rezystancji przy wzroście temperatury. Wskaźnik układu składa się
z nieruchomych cewek oraz ruchomego organu ze wskazówką. Zasadę działania układu wyjaśniono
na rysunek 5..
Działanie układu omówione zostanie przy założeniu występowania w układzie termistora
typu NTC. Cewki 1 i 2 są ustawione prostopadle względem cewki 3 . Przy przepływie przez nie
prądu powstają prostopadłe do siebie pola magnetyczne. Pole wypadkowe działa na organ ruchomy
4, powodując jego wychylenie. Cewki wskaźnika i termistor 5 są połączone szeregowo-równolegle
i zasilane napięciem. Przy zmianach rezystancji termistora zmienia się rozpływ prądów w cewkach
i wypadkowe pole magnetyczne. Jeżeli temperatura płynu chłodzącego jest niska, to rezystancja
termistora jest duża, prąd w cewce 1 osiąga wartość najmniejszą, natomiast w cewkach 2 i 3
największą. Wypadkowe pole magnetyczne działa na organ ruchomy w ten sposób, że powoduje
wychylanie wskazówki w lewą stronę. W miarę wzrostu temperatury płynu chłodzącego zmniejsza
się rezystancja termistora, prąd w cewce 1 wzrasta, a w cewkach 2 i 3 maleje. Wypadkowe pole
magnetyczne zmienia swój kierunek, powodując wychylenie organu ruchomego ze wskazówką
w prawą stronę. Zamiast wskaźnika temperatury może być stosowana tylko lampka kontrolna
zapalająca się przy przekroczeniu maksymalnej dopuszczalnej temperatury silnika. W układzie
takim jest stosowany czujnik termobimetalowy.
Rysunek 5. Schemat układu do kontroli temperatury silnika
1, 2, 3 - cewki wskaźnika; 4 - organ ruchomy ze wskazówką;
5 - czujnik termistorowy; 6 - bezpiecznik
Czujniki ciśnienia i temperatury
4
3. Kontrola pracy układu ciśnienia oleju
Układ do pomiaru ciśnienia oleju (rysunek 6) składa się z czujnika ciśnienia oleju
i połączonego z nim wskaźnika ciśnienia oleju. Przy wyłączonym napięciu zasilania układu styki 1
i 2 są zwarte, wskazówka 7 wskaźnika odchyla się do wartości podziałki. Po włączeniu napięcia
wyłącznikiem 8 płynie prąd przez uzwojenie grzejne czujnika 3 i wskaźnika 6. Płytki bimetalowe
czujnika 4 i wskaźnik nagrzewają się, w czujniku rozwierają się styki 1 i 2, prąd przestaje płynąć.
Po wystygnięciu płytek styki zwierają się ponownie. Prąd w obwodzie płynie i nagrzewa płytki,
kiedy styki są zwarte, a zależy to od docisku styków, który zmienia się w zależności od ciśnienia
wywieranego przez olej na membranę 10. Przy większym ciśnieniu czas zwarcia płytek jest
dłuższy, więc dłużej płynie prąd powodując przekazanie większej ilości ciepła płytce bimetalowej
wskaźnika, zatem większe jest odchylenie wskazówki 7 wskaźnika.
Do kontroli ciśnienia oleju w układzie smarowania silnika jest również stosowany system
sygnalizacyjny, składający się z czujnika oporowego i lampki kontrolnej. Czujnik oporowy pracuje
na zasadzie sprężystego odkształcenia membrany pod wpływem ciśnienia.
Rysunek 6. Schemat urządzenia do pomiaru ciśnienia oleju
1, 2 - styki czujnika; 3 - uzwojenie grzejne czujnika; 4 - płytka bimetalowa czujnika; 5 - płytka bimetalowa wskaźnika;
6 - uzwojenie grzejne wskaźnika; 7 - wskazówka; 8 - wyłącznik zapłonu; 9 – wskaźnik; 10 - membrana; 11 - sprężyna ze stykiem
Budowę czujnika przedstawia rysunek 7. Membrana 1 pod wpływem ciśnienia oleju
odkształca się i pokonując opór sprężyny 2, powoduje rozwarcie styków 3 i 4. Jeżeli ciśnienie
obniży się poniżej dopuszczalnej wartości (np. w samochodzie. FSO 1500 poniżej 0,08 MPa), to
sprężyna pokonując opór membrany, dociśnie styk ruchomy do styku nieruchomego. Styk 3 jest
wyprowadzony na zewnątrz w postaci płaskiej końcówki konektorowej, a nieruchomy styk 4 jest
połączony z masą. Czujnik jest połączony z lampką kontrolną 5, a układ zasilany napięciem. Przy
prawidłowym ciśnieniu oleju membrana utrzymuje styki w stanie rozwartym, a tym samym lampka
kontrolna nie pali się. Gdy ciśnienie obniży się poniżej dopuszczalnej wartości, wówczas styki
czujnika zwierają się, powodując włączenie lampki kontrolnej.
Rysunek 7. Schemat układu do kontroli ciśnienia oleju w silniku
1 - membrana czujnika; 2 - sprężyna czujnika; 3 - styk ruchomy czujnika;
4 - styk nieruchomy czujnika; 5 - lampka kontrolna
W samochodzie Polonez, oprócz lampki kontrolnej, jest stosowany wskaźnik ciśnienia
oleju. Czujnik jest wkręcany końcówką gwintowaną w kadłub silnika. Wewnątrz obudowy czujnika
jest umieszczony rezystor drutowy. Jest to płaska płytka izolacyjna z nawiniętymi zwojami drutu
oporowego, po którym przesuwa się styk ślizgacza. Jeden koniec ślizgacza jest ułożyskowany na
Czujniki ciśnienia i temperatury
5
ośce, dzięki czemu znajdujący się na przeciwległym końcu przesuwa się po rezystorze, wzdłuż
wycinka okręgu. Ruch ślizgacza jest wymuszony przez membranę za pośrednictwem układu
dzwigni. W stanie spoczynku (brak ciśnienia) sprężyna powrotna ślizgacza przesuwa w skrajne
położenie, przy którym rezystancja jest największa. W miarę wzrostu ciśnienia oleju membrana,
odkształcając się, przesuwa ślizgacz w kierunku zmniejszenia rezystancji. Zasada działania
wskaźnika jest taka sama, jak wskaźnika z rysunku 2.
Czujniki temperatury cieczy chłodzącej
W celu określenia stanu cieplnego w jakim znajduje się silnik stosuje się czujniki
temperatury CTS (ang. - Coolant Temperature Sensor) mierzące temperaturę płynu chłodzącego
silnika. Przykładowy czujnik temperatury pokazano na rysunku 8, budowę czujnika - rysunek 9.
Rysunek 8. Czujnik temperatury cieczy chłodzącej układu sterowania Multec i Motronic 3.8
Czujnik temperatury zawiera w swojej obudowie termistor typu NTC lub PTC. Rezystor
NTC (ang. - Negative Temperature Coefficient) jest to element półprzewodnikowy, którego
rezystancja maleje wraz ze wzrostem temperatury. Rezystor PTC (ang. - Positive Temperature
Coefficient) jest to element półprzewodnikowy, którego rezystancja rośnie wraz ze wzrostem
temperatury. W praktyce większe zastosowanie znalazły termistory NTC ze względu na bardziej
liniowy przebieg zależności między rezystancją a temperaturą.
Rysunek 9. Budowa czujnika temperatury: 1 - złącze elektryczne, 2 - obudowa, 3 – rezystor
Czujniki ciśnienia i temperatury
6
Czujnik temperatury cieczy chłodzącej zastosowany w układzie sterowania Multec silnika
samochodu Polonez zbudowany jest z rezystora NTC o ujemnym współczynniku temperatury
(termistor) umieszczonego w metalowym korpusie. Termistor ma rezystancję równą R25=2,887 kΩ
w temperaturze 25°C. Charakterystyka termistora opisana jest równaniem:
T = −23,7612 ⋅ ln (R T ) + 53,7057 ⋅ T
gdzie:
RT - rezystancja termistora w kΩ;
T - temperatura w °C.
Przykładowe charakterystyki rezystancji czujników temperatury w funkcji temperatury
cieczy chłodzącej prezentuje rysunek 10.
Rysunek 10. Logarytmiczna charakterystyka rezystancji czujników temperatury układu sterowania
Multec (dolna linia) i Mono-Motronic (górna linia)
Czujnik udostępnia sterownikowi sygnał (napięcie), którego wartość zmienia się wraz ze
zmianą temperatury cieczy chłodzącej. Czujnik temperatury zasilany jest napięciem 5V
z centralnego urządzenia sterującego. Jest on wyposażony w dwa styki: zasilanie +5V i styk
odniesienia o ujemnym potencjale - rysunek 11.
Rysunek 11. Złącze czujnika temperatury
Czujniki ciśnienia i temperatury
7
Element pomiarowy umieszczony jest w obudowie ochronnej, która z kolei umożliwia
połączenie z konektorem wiązki silnikowej.
Rysunek 12. Sposób montażu czujnika temperatury cieczy chłodzącej
W tabeli nr 1 zamieszczono podstawowe dane techniczne czujnika temperatury układu
Multec.
Tabela nr 1. Podstawowe dane techniczne czujnika temperatury układu Multec
Temperatura pracy
-40...+130°C
Błąd pomiaru
2÷5%
Maksymalny prąd zasilania
1mA
Napięcie zasilania
< 5V
Rysunek 13. Czujnik temperatury płynu chłodzącego: 1 - konektor, 2 - spinka, 3 - czujnik
Najczęściej stosuje się trzy miejsca zamocowania czujnika temperatury cieczy chłodzącej.
W układach sterowania Multec i Mono-Motronic czujnik jest zainstalowany w kolektorze
dolotowym pod korpusem przepustnicy, w miejscu, gdzie ma styczność z płynem chłodzącym
silnika.
W układzie sterowania Motronic 3.8 w wersji dla silnika czterocylindrowego 20V czujnik
umieszczony jest na boku kadłuba silnika, natomiast w silniku pięciocylindrowym V5 umieszczony
jest na bloku silnika w pobliżu króćca wyjściowego cieczy chłodzącej z termostatu.
W układzie sterowania silnika Holden 2,2L MPFI samochodu Lublin II czujnik temperatury
płynu chłodzącego umieszczony jest w korpusie wykonanym z metalu i wkręcony w obudowę
termostatu - rysunek 14.
Czujniki ciśnienia i temperatury
Rysunek 14. Miejsce lokalizacji czujnika temperatury cieczy chłodzącej w systemie Mono-Motronic
Rysunek 15. Schemat lokalizacji czujnika temperatury cieczy chłodzącej
Rysunek 16. Fotografia lokalizacji czujnika temperatury cieczy chłodzącej
w silniku Holden 2,2L MPFI samochodu Lublin II
8
Czujniki ciśnienia i temperatury
9
Czujniki temperatury powietrza
Podobnie jak czujnik temperatury cieczy chłodzącej również czujnik temperatury powietrza
w kolektorze dolotowym działa na zasadzie rezystora cieplnego (termistora) o ujemnym
współczynniku temperaturowym (NTC). W miarę wzrostu temperatury rezystancja czujnika
zmniejsza się. Jest on zasilany napięciem 5V z urządzenia sterującego. Często używa się skrótu
nazwy czujnika IAT (ang. - Inlet Air Temperature). Na rysunkach 17÷19 przedstawiono wygląd
typowych czujników temperatury powietrza.
Lokalizacja czujnika może mieć trzy główne warianty. W układzie sterowania Motronic 3.8
w wersji z przepływomierzem powietrza czujnik jest zintegrowany z przepływomierzem mimo
tego, że jego praca nie jest związana z działaniem przepływomierza. W wersji bez przepływomierza
czujnik jest umieszczony w kolektorze dolotowym.
Rysunek 17. Czujnik temperatury powietrza układu Mono-Motronic
Rysunek 18. Czujnik temperatury powietrza układu sterowania Delphi
Rysunek 19. Czujnik temperatury powietrza układu Motronic 3.8
Czujniki ciśnienia i temperatury
10
Czujnik temperatury powietrza układu sterowania Mono-Motronic znajduje się w zespole
wtryskiwacza. Jest to czujnik wykorzystujący rezystor NTC i służy do określania masy zasysanego
powietrza. Zjawisko zmian natężenia prądu w obwodzie czujnika zostało wykorzystane jako
wielkość regulacyjna. Jego charakterystyka jest podobna do charakterystyki czujnika temperatury
silnika, lecz jest dla innego zakresu temperatur.
Rysunek 20. Miejsce lokalizacji czujnika temperatury powietrza w układzie Mono-Motronic
Jeżeli czujnik temperatury powietrza ulegnie uszkodzeniu, to urządzenie sterujące
przyjmuje stałą temperaturę powietrza. W układzie Mono-Motronic jest to temperatura +40°C, w
przypadku braku sygnału pomiaru temperatury w systemie Motronic 3.8 jednostka sterująca
przyjmuje do obliczeń wartość 19,5°C.