| Головна » Статті » Будова автомобіля |
Датчики температурыЭти устройства предоставляют информацию о температуре в различных узлах автомобиля. Например, они выполняют следующие измерения температуры (рис. 5):
Применения датчиков температуры, проиллюстрированные рис. 5, относятся в основном (за некоторыми исключениями) к системам Powertrain и контроля эмиссии, основные функции которых, как известно, — оптимизация работы двигателя и связанных систем, экономия топлива и минимизация эмиссии. Важнейшее из этих применений — измерение температуры воздуха, поступающего в двигатель, например, во впускном патрубке датчиком Manifold Air Temperature Sensor. Исполнения датчиков различаются в зависимости от места, в котором производится измерение: существуют исполнения датчиков, которые размещаются во входном канале (Intake Air Temperature Sensor) и очистителе воздуха (Air Cleaner Sensor). Для большинства видов измерений температуры воздуха в автоэлектронике наиболее популярным решением является керамический термистор (терморезистор) с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) (рис. 5а–с). Терморезисторы сNTC представляют собой датчики, которые изготавливаются из оксидов тяжелых металлов и оксидированных смешанных кристаллов методами спекания и прессования с добавлением связующих агентов, относящихся к полупроводниковым материалам. При постоянном напряжении питания с увеличением температуры значительно падает сопротивление NTC термистора и возрастает входной ток. Большинство стандартных автомобильных датчиков этого типа, которые применяются также и для измерений температур различных автомобильных жидкостей, характеризуются нелинейной обратной экспоненциальной характеристикой с областью высокой чувствительности, используемой для измерений температуры в некотором диапазоне — обычно не выше 150 °C (рис. 5а). NTC термисторы подходят и для измерений температур в расширенном диапазоне –200…1000 °C и выше — до 1100 °C (например, MT250NB и HT1000 Thermometrics). Для автомобильных применений NTC термисторы выпускаются в защищенном исполнении (рис. 5). Важным преимуществом термисторов с NTC является взаимозаменяемость и низкая цена. Точность термисторов зависит от исполнения и обычно колеблется в пределах 1–10%. Еще одна проблема термисторов — подверженность самонагреву вследствие протекания тока через резистор, для преодоления которой между плюсом питания в 5 В и выходом термистора дополнительно включается большое сопротивление. Обработка первичного сигнала с терморезисторов производится в автомобиле в основном с использованием внешних схем. Для автомобильных высокотемпературных применений предлагаются и могут быть использованы также термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC), металлические пленочные термопреобразователи сопротивления RTD (Resistive Temperature Detectors), термопары, кремниевые терморезисторы с PTC и ИС датчиков температуры [13–22]. Лидирующие поставщики датчиков температуры на автомобильный рынок в виде компонентов мехатронных систем — это, например, компании Bosch, Delphi, Honeywell, SiemensVDO, Hi-stat; дискретных компонентов (термисторов, пленочных RTD и термопар) — GE Thermometrics, Honeywell, Heraues, Infineon, Philips, Therm-O-Disc, US Sensor, Vishay; интегральных схем и обработчиков сигналов с различных типов термодатчиков — Analog Devices, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments, а также многие другие компании. Число производителей и номенклатура датчиков и преобразователей температуры, включая автомобильные исполнения, очень велико. PTC-термисторы изготавливаются из титаната бария, диапазон рабочих температур — +60…180 °C. Эти датчики используются для измерений уровня любых жидкостей — от воды до масла. Продукция GE Thermometrics включает также составные термисторы — из двух NTC и одного PTC-термистора, с рабочей характеристикой, аналогичной одному NTC, но с плоской областью. Платиновые тонкопленочные RTD (рис. 5т–у), которые предлагаются для автомобильных высокотемпературных применений, помимо высокотемпературных термисторов, характеризуются наиболее широким диапазоном (–220…+1000 °C), в сравнении, например, с никелем (–60…+320 °C). Другие типичные материалы RTD — медь и сплавы никель/железо. В типичном платиновом RTD керамическая подложка поддерживает структурированный платиновый слой, покрытый стеклом. Эти устройства характеризуются высокой точностью, повторяемостью, линейностью (возможностью прямого подключения выхода к АЦП), долговременной стабильностью, но небольшим положительным температурным коэффициентом (PTC), меньшей чувствительностью к изменению температуры и меньшим базовым сопротивлением, чем термисторы, а также более высокой ценой. Термопары, состоящие из двух различных металлов, вследствие эффекта Зеебека генерируют термоЭДС (термоэлектрическое напряжение) при нагреве. Три наиболее популярных типа термопар, классифицируемых в зависимости от используемой комбинации металлов и сплавов, — железо-константан (J), медь-константан (T) и хромель-алюмель (K) (обозначения согласно ГОСТ и ANSI). Термопары K-типа с достаточно высокой линейностью и точностью позволяют измерять температуры –270…+1370 °C, термопары J-типа измеряют температуры порядка –150…+1250 °C, T-типа — –200…+350 °C. Термопары из благородных металлов, например, B-типа на основе платины/сплава 30% платины с родием позволяют измерять более высокие температуры порядка 800–1700 °C и выше. Известны также вольфрам-рениевые термопары ТВР (обозначение ГОСТ), которые могут измерять температуры от 1000 до 2200 (2500) °C. Выходное напряжение термопар является малым — например, 40 мкВ/°C для датчиков K-типа. Обработку сигналов термопар упрощают специальные сигналообработчики, например, MAX6674/5 Maxim для термопар K-типа. Для получения более подробной информации по термопарам и другим датчикам и сигналообработчикам рекомендуется обратиться к работе [19]. Кремниевые термисторы с PTC Infineon серий KT и KTY и Philips серий KTY (рис. 5ф) предназначены для измерения температур воздуха, газов и жидкостей в диапазоне –55…150 °C [20, 21]. Термочувствительный элемент — это n-кремниевый кристалл, реализованный по планарной технологии. Корпусирование датчиков выполняется в SMD корпусах типа SOT23 (KTY82-2 Philips). датчиках серий KTY использован принцип сопротивления растекания Spreading Resistance — производный от одноточечного метода измерения сопротивления полупроводниковой подложки, которое, согласно этому методу, зависит только от удельного сопротивления материала кристалла и площади контакта и не зависит от толщины и площади подложки. Датчики характеризуются отсутствием p-n-переходов, большим PTC, несколько меньшей линейностью, чем RTD, и производятся по технологии, аналогичной производству ИС, что допускает включение дополнительных активных и пассивных цепей в кристалле датчика. ИС датчиков, например, MAX6629–MAX6632 (рис. 5ш) и MAX6576/MAX6577, включают измерительные элементы и схемы обработки сигнала, что позволяет получать информацию о температуре в цифровой форме, значительно упрощая системный дизайн, на основе которого выполняются температурные измерения, и повышая их линейность. Цифровые ИС датчиков замещают автомобильные аналоговые интерфейсы, но рабочие диапазоны температур ИС составляют только –55…+155 °C, что подходит не для всех автомобильных применений. Одним из таких применений являются термостаты в системах водяного и масляного охлаждения бензиновых или дизельных двигателей. Хотя ИС термопереключателей с двоичным цифровым или аналоговым выходом и (или) порогами удобны для автоматического включения/выключения вентилятора, для работы при более высоких температурах (0–260 °C), чем возможные с технологией ИС, рекомендуются термостаты на другой основе, например, коммерческие версии от Honeywell (рис. 5щ). ИС датчиков представляют значительный интерес для многих других рынков, помимо автомобильного. В исследовании Databeans, Inc. — 2006 Temperature Sensors — говорится о значительном увеличении потребления датчиков температуры в настоящее время (с ежегодным приростом в 18%), среди которых увеличивается число интегральных схем. Основными из рынков сбыта ИС являются компьютеры (наиболее массовое применение — контроль температуры процессора и работы вентилятора), источники питания, компьютерная периферия, автомобильный и индустриальный рынки. Новые автомобильные применения для ИС датчиков в автомобиле, например, — контроль батарей гибридных двигателей и GPS. Databeans оценивает текущий рынок ИС термодатчиков в $674 млн, который, с ежегодным приростом в 20%, достигнет $2 млрд в следующие пять лет. Согласно проведенному исследованию, общемировой рост потребления датчиков температуры приводит к увеличению числа и других категорий датчиков, причем автомобильный и телекоммуникационный рынки управляют спросом на новые разработки. В системах Powertrain и контроля эмиссии по-прежнему наиболее актуальны контактные способы измерений температур жидкостей и газов, к которым относятся измерения посредством всех перечисленных выше датчиков. В последние годы в автоэлектронике приобретают актуальность бесконтактные способы измерений, которые способны детектировать очень малые изменения в тепловом (инфракрасном) излучении объекта. Многие из IR-датчиков работают по принципу сравнения инфракрасного излучения объекта, поглощаемого термочувствительной мембраной, с температурой детектора, которую измеряет термистор (MEMS-технология). Разница температур преобразуется в электрический потенциал посредством термоэлектрического эффекта в термоэлементе. Напряжение питания для датчика не требуется. Ввиду того, что IR-датчики способны измерять температуры порядка –20…+100 °C и, непосредственно, — только твердотельных объектов или поверхностей с достаточной эмиттирующей способностью, они находят свои основные применения в автомобильных системах безопасности (определение положения пассажиров, видеосистемы наблюдения в ночных и туманных условиях), климат-контроле, для обнаружения конденсации на окнах при тумане. Примерами являются MLX90247 Melexis, TS105-5 и другие HL-Planartechnik, ZTP-101 и другие Thermometrics. Расширение этих устройств — инфракрасные сенсорные массивы. В системах Powertrain IR-датчики используются в первую очередь для бесконтактного дистанционного контроля нагрева скоб дискового тормоза, но их применение на этом не ограничивается. Профессиональную элементную и техническую базу инфракрасных термометров и датчиков для различных автомобильных применений и тестирования предлагает компания Raytek (рис. 5э). Спектр бесконтактных измерений включает:
Например, осуществляя мониторинг выхлопного патрубка, по повышенной температуре выхлопов можно диагностировать бедную ТВС и оптимизировать расход топлива. В различных узлах автомобиля температура является часто второстепенным параметром, который служит для компенсации измерений основных параметров или предупреждения ситуаций, когда высокая температура может вызывать сбои и неисправности работы автомобильных систем. Следствием этого является миграция датчиков температуры в различные мультисенсорные модули контроля основных параметров (например, актуально объединение датчика массового расхода воздуха и температуры во впускном патрубке или датчика давления и температуры воздуха). Но при этом число датчиков, выполняющих индивидуальные измерения температуры в новых автомобилях, не уменьшается, а, скорее, увеличивается. Новые применения, например, включают контроль температуры жидкости трансмиссии, выхлопов, контроль работы батарей гибридных автомобилей, а также климат-контроль, измерение перегрева шин. | |
| Переглядів: 1487 | |
| Всього коментарів: 0 | |