2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Бесконтактное измерение температуры в двигателе

Автомобильный справочник

Датчики температуры, это элементы электрических цепей автомобиля, изменяющие свое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды. Вот о том, какими бывают датчики температуры в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

Для начала немножко теории.

Любое тело излучает тепловую энергию Е, пропорциональную его температуре поверхности в четвёртой степени и коэффициенту излучения к.

Научившись измерять и обратно преобразовывать эту тепловую энергию в температуру можно измерять температуру поверхности на расстоянии (дистанционно).

Рис.1.Как происходит измерение температуры поверхности пирометром

Любой пирометр содержит некоторую оптическую систему, позволяющую снимать данные (собирать тепловую энергию) с пятна определённой площади S на расстоянии L. Отношение L/D, где D — это диаметр пятна называется оптическим разрешением пирометра. Чем этот параметр больше, тем на большем расстоянии можно измерять температуру конкретного тела и тем дороже прибор.

При помощи оптической системы прибора энергия излучения падает на сенсор ИК термометра (Рис.2).

Рис.2.Устройство сенсора ИК термометра

У современных пирометров сенсор представляет собой миниатюрную термопару, на рабочий спай которой и направлено тепловое излучение контролируемого объекта. Вблизи холодного спая термопары располагается сенсор температуры, в качестве которого чаще применяется термосопротивление.

Электронная схема прибора по термосопротивлению измеряет температуру холодного спая термопары и добавляет к ней вторую часть пропорциональную напряжению с термопары. ИК сенсоры уже давно научились изготавливать полностью в интегральном исполнении. Есть сенсоры с цифровым выходом.

Если бы все тела излучали одинаково, имея равную температуру, то погрешность пирометра определялась бы только точностью его юстировки .

Однако все тела излучают по-разному. Для того чтобы измерить температуру поверхности какого-либо тела достаточно точно, необходимо точно знать его коэффициент изучения к.

Обычно пирометр юстируется на производстве или в метрологической лаборатории при помощи «абсолютно-чёрного тела» (АЧТ), т.е. поверхности, с коэффициентом излучения близким к 1. Затем в память прибора устанавливают реальный, усреднённый коэффициент излучения. Чаще 0,95. Есть однако модели пирометров подороже, в которых потребитель сам устанавливает коэффициент. Но какой – вот в чём вопрос. А коэффициент излучения очень сильно зависит как от материала поверхности, так и от качества обработки, наличия загрязнений, ржавчины, влаги и т.д. В табл. 1 представлены коэффициенты излучения для ряда материалов.

МатериалК
доска0,96
бумага0,93
базальт0,72
ржавое железо0,70

Табл. 1 Коэффициент излучения к для нескольких материалов

При неправильно выставленном коэффициенте излучения можно получить погрешность в десятки градусов.

Назначение и возможности датчиков

В настоящее время ИК-датчики на основе термоэлементов могут поставляться с различными линзами/ фильтрами, что позволяет использовать их в приборах разного класса и назначения, начиная от промышленных пирометров и до бытовых устройств. В зависимости от датчика, выходной сигнал может быть представлен стандартным выходным сопротивлением или аналоговым/ цифровым выходным сигналом.

Разнообразные датчики (полезные как для любителей, так и для профессиональных разработчиков), включая изделия в герметичных корпусах из нержавеющей стали и модули с выведенными проводами, сегодня продаются по доступным ценам. Все эти термоэлементы предназначены для дистанционного измерения температуры путем детектирования инфракрасной энергии объекта. Чувствительный термоэлемент, составленный из небольших термопар на кремниевом чипе, поглощает энергию и генерирует выходной сигнал. В комплект приборов входит также источник опорного напряжения в качестве эталона для коррекции.

Датчик TPS334

Изготавливаемый компанией Excelitas детектор TPS334 – это стандартный датчик, который использует пластину размером 0,7 x 0,7 мм 2 в качестве абсорбера и термистор на 30 кОм в качестве опорного источника температуры (рис. 4). Круглое окно оснащено инфракрасным фильтром на 5,5 мкм с пропусканием длинноволновой части спектра. TPS334 выпускается в корпусе типа TO-5.

Рис. 4. TPS334 (слева) и расположение выводов (справа)

Датчик A2TPMI

A2TPMI — еще один термоэлемент производства Excelitas. Это универсальный инфракрасный датчик с интегрированной специализированной микросхемой для обработки сигналов и компенсации температуры окружающей среды. Этот интегрированный инфракрасный модуль воспринимает тепловое излучение объектов и преобразует его в аналоговое напряжение. Благодаря внутренней обработке цифрового сигнала и 8-разрядному разрешению внутренних регистров управления A2TPMI имеет повышенную точность регулировки и улучшенные характеристики. Примененная технология E2PROM обеспечивает неограниченное количество изменений в конфигурации. A2TPMI является удачным выбором и для любительских конструкций благодаря интеграции датчика и электроники в компактном корпусе ТО-39. Функциональная схема A2TPMI показана на рис. 5.

Рис. 5. Функциональная схема A2TPMI

Датчик MLX90614

Очень популярным инфракрасным термометром для бесконтактного измерения температуры является MLX90614 производства компании Melexis (рис. 6). Он представляет собой сочетание в одном 4-контактном корпусе ТО-39 инфракрасного высокочувствительного детектора на термоэлементах и специализированного стандартного формирователя сигналов. Этот термометр включает в себя малошумящий усилитель, 17-разрядный аналого-цифровой преобразователь и мощный процессор цифровых сигналов. Он откалиброван на заводе-изготовителе с возможностью использования на цифровом выходе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и системной шины управления (SMBus).

Читать еще:  Бесколлекторный двигатель схема подключения

Рис. 6. Конфигурация выводов MLX90614*

  • Bottom view – Видснизу
  • Pin name – Вывод
  • Function – Функция
  • Serial clock … – Вход синхросигнала для 2-проводного коммуникационного протокола. На этом выводе MLX-90614 Axxx установлен стабилитрон на 5,7 В для подключения биполярного транзистора из состава внешнего источника питания напряжением 8…16 В
  • Digital input/ … – Цифровой вход/выход. В стандартном режиме измерения температуры объекта на этом выводе представлен сигнал с ШИМ. В режиме, совместимом с шиной SM, этот вывод автоматически конфигурируется как открытый сток NMOS
  • Exetnal … Внешний источник питания
  • Ground … – Общая шина. Металлические части могут соединяться с этим контактом.

Устройство автомобилей

Общие сведения о приборах для измерения температуры

Для контроля эффективной работы систем и агрегатов автомобиля необходимо знать их температурный режим. При эксплуатации, например, непрогретого двигателя резко снижаются его мощностные и экономические показатели, а его перегрев ведет к снижению ресурса или возникновению неисправностей, вплоть до полного отказа из-за заклинивания деталей цилиндропоршневой группы.

Для контроля температурного режима работа узлов и агрегатов на автомобиле применяются дистанционные термометры и сигнализаторы температуры, датчики которых устанавливают в контролируемой среде, а указатели — на приборной панели автомобиля в кабине водителя.

По принципу действия приборы для измерения температуры делятся на механические, электромеханические и электрические. К механическим приборам относятся жидкостные (обычно ртутные) и манометрические термометры. Механические термометры обычно используются для измерения относительно низких температур и в конструкции автомобилей не применяются.

В автомобильной технике для измерения температуры рабочих сред и элементов конструкции чаще применяются термобиметаллические импульсные и логометрические температурные приборы, которые можно объединить общим названием – термоэлектрические приборы.

В импульсных термобиметаллических термометрах используется эффект деформации, возникающий при нагреве пластины, спаянной из двух разнородных металлов или сплавов (биметаллическая пластина).

Работа термоэлектрических термометров логометрического типа основана на термоэлектрическом эффекте, возникающем при нагревании места спая двух проводников из неоднородных металлов или сплавов (терморезистора). Если два других конца проводников замкнуть, то под действием термоЭДС нагреваемого спая в образовавшейся цепи возникает электрический ток, величина которого зависит от степени нагрева места спая.

Спаянную или сваренную пару из двух разнородных металлов или сплавов называют термопарой или терморезистором. Обычно для измерения относительно низких температур (до 600 ˚С) в машиностроении применяют хромель-копелевые (ХК) термопары, а для измерения высоких температур (до 1000 ˚С) – хромель-алюмелевые (ХА) термопары. Существуют также и другие типы термопар.

Устройство термобиметаллического импульсного термометра

Термобиметаллический импульсный термометр состоит из датчика и стрелочного указателя. Общее устройство указателя и схема работы импульсной системы показаны на рис. 1.

Рис. 1. Импульсная система: а — устройство указателя; б — схема импульсного измерителя температуры:
1 — стрелка; 2 — спираль указателя; 3П-образная термобиметаллическая пластина; 4 — регулировочный сектор; 5 — упругая пластина; 6 — спираль датчика; 7 — биметалл датчика; 8 — контакты

Датчик термобиметаллического импульсного термометра (рис. 2) представляет собой латунный тонкостенный баллон 9, закрепленный в корпусе 6. Термобиметаллическая пластина 3 баллона закреплена на изоляторе 8 основания. На термобиметаллическую пластину намотана нагревательная обмотка 4, один конец которой соединен с контактом 2, а второй через контактор 5 подходит к выводному зажиму 7. Неподвижный контакт 1 соединен с корпусом 6 датчика.

Указатель термобиметаллического термометра по своей конструкции и принципу действия аналогичен термобиметаллическому указателю давления (рис. 1).

Устройство логометрического термометра

Логометрические термометры, также как и манометры состоят из датчика и указателя. Конструкция и принцип действия указателя логометрического термометра аналогичны конструкции указателя давления

Терморезисторный датчик к температуры (рис. 3) представляет собой латунный баллон 1, к плоскому донышку которого с помощью токоведущей пружины 3 прижат терморезистор 4, выполненный в виде таблетки.
Пружина 3 верхним концом соединена с зажимом 2 датчика и изолирована от стенки баллона специальной втулкой.
Сопротивление терморезистора значительно уменьшается при повышении температуры, что приводит к увеличению силы тока, проходящего через измерительные индукционные катушки логометрического указателя.

Сигнализаторы аварийной температуры

Применение на автомобиле дистанционного стрелочного термометра не гарантирует, что внезапное нарушение теплового режима двигателя будет сразу замечено водителем. Поэтому в дополнении к стрелочному термометру устанавливают сигнализатор аварийной температуры.
При этом если система охлаждения двигателя жидкостная, датчик сигнализатора температуры устанавливают в верхний бачок радиатора, а если на автомобиле двигатель с воздушным охлаждением (например, автомобили «ЗАЗ», «ЛуАЗ»), то датчик сигнализатора аварийной температуры устанавливают в смазочную систему и по температуре масла судят о температурном режиме двигателя.

Сигнализаторы применяют также для контроля температуры масла в автоматической коробке передач. Все используемые на автомобилях датчики сигнализаторов аварийной температуры биметаллические.

Конструкция датчика сигнализатора аварийной температуры охлаждающей жидкости, применяемого на автомобилях марки «КамАЗ», приведена на рис. 4 .
Датчик имеет массивный латунный корпус 7, на дне которого под прижимной шайбой 6 находится петлеобразная термобиметаллическая пластина 1 с контактом 5. В выводном зажиме 3, изолированном от корпуса 7, по резьбе можно перемещать тарельчатый контакт 4, тем самым устанавливая температуру замыкания контактов.

Читать еще:  Чем заполняют клапана двигателей

Рис. 4. Датчик сигнализатора аварийной температуры: 1 — термобиметаллическая пластина; 2 — изолятор; 3 — зажим; 4 — тарельчатый контакт; 5 — контакт; 6 — прижимная шайба; 7 — корпус

При достижении температуры охлаждающей жидкости 92…98 ˚С термобиметаллическая пластина разгибается и замыкает контакты 5 и 4, что приводит к включению контрольной лампочки на приборной панели.

Аналогичную конструкцию имеют датчики аварийного включения вентилятора системы охлаждения в современных автомобилях с электрическим приводом вентилятора. Основное отличие этих датчиков от рассмотренных выше заключается в наличии двух контактных выводов вместо одного.

Система инфракрасного измерения температуры

На первый взгляд система инфракрасного измерения (бесконтактного термометра) проста. Инфракрасное излучение свободно проникает в атмосферу. С помощью линзы бесконтактного термометра инфракрасные лучи допустимо сфокусировать на элементе детектора. В результате детектор выдаёт электрический сигнал, величина которого пропорциональна величине излучения.

Сформированный сигнал усиливается, подвергается цифровой обработке, после чего подаётся на выход схемы. Значение измерения отображается на дисплее бесконтактного термометра, либо выводится аналоговым сигналом. При этом обеспечивается простое подключение к системам управления термометром.

Промышленным производством освоен выпуск бесконтактных термометров разного назначения и применения, в том числе широкое распространение нашли приборы бытового назначения

Бесконтактный термометр демонстрирует явные преимущества бесконтактного контроля температуры:

  • контроль температур объектов, включая опасные среды;
  • мгновенная реакция и время фиксации результата;
  • измерение без непосредственной связи с объектом;
  • стабильное измерение;
  • долгосрочная работа без механических повреждений конструкции.

Спектр электромагнитного излучения для бесконтактного термометра

Термин «спектр» с физической точки зрения рассматривается, как правило, интенсивностью электромагнитных волн или функцией длины волны (частоты волны). Спектром электромагнитного излучения охватывает область длин волн от сектора к сектору, исходя из происхождения, формирования, применения излучения.

Все виды электромагнитного излучения следуют одинаковым принципам:

  • дифракции,
  • преломления,
  • отражения,
  • поляризации.

Скорость расширения представлена как постоянный результат умножения длины волны на частоту:

λ · f = c

Инфракрасное излучение охватывает крайне ограниченную долю диапазона электромагнитного спектра. Начало отмечено видимым диапазоном (0,78 мкм), а конец охвата — длины волн 1000 мкм. Диапазон 0,7 — 14 мкм оптимален под инфракрасное измерение температуры – работа бесконтактного термометра. За пределами этого диапазона уровень энергии недостаточен для чувствительности детекторов.

Виды термометров по принципу действия

Процесс измерения температуры может основываться на разных физических процессах. Исходя из этого, выделяют 5 видов термометров.

Контактные

Такие приборы еще называют термометрами расширения. Они основаны на отслеживании изменения объема тел под действием меняющейся температуры. Обычно измеряемый диапазон температур составляет от -190 до +500 градусов по Цельсию.

К этой категории относятся жидкостные и механические устройства. Жидкостные представляют собой приборы в стеклянном корпусе, заполненные спиртом, ртутью, толуолом или керосином. Они прочные и устойчивые к внешним воздействиям. Температурный диапазон измерений зависит от типа используемой жидкости (наибольший — у ртутных, наименьший — у цифровых).

Механические могут работать с разными типами сред, включая жидкостные, газообразные, твердые или сыпучие. Универсальность позволяет использовать их в разных инженерных системах.

Термометры сопротивления

К этой категории относятся приборы, которые способны измерять электрическое сопротивление веществ, меняющееся в зависимости от температурных показателей. Рабочий диапазон этих устройств — от -200 до +650 градусов.

Такие термометры состоят из чувствительных термодатчиков и точных электронных блоков, контролирующих изменения проводимости, сопротивления и электрического потенциала. Обычно их встраивают в общую систему мониторинга и оповещения, туда, где нужно отслеживать меняющиеся параметры и не допускать их превышения.

В котельных установках наибольшее применение получили термометры сопротивления медные (ТСМ). Термометрами сопротивления можно измерять температуры от -50 до +600°С.

Электронные термопары

При нагревании эти приборы генерируют ток, что и позволяет измерять температуру. Принцип действия основан на замерах термоэлектродвижущей силы. Диапазон измерений в этом случае — от 0 до +1800 градусов.

Манометрические

Такие термометры учитывают зависимость между температурными показателями и давлением газа. В измеряемую среду помещают термобаллон, соединенный с манометром латунной трубкой. При нагреве термобаллона давление внутри него увеличивается, и эта величина измеряется манометром. Таким образом проводят замеры температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов.

Бесконтактные пирометры

В основе этих приборов — инфракрасные датчики, считывающие уровень излучения. Они подразделяются на два вида: яркостные, проводящие измерения излучений на определенной длине волны (диапазон — от +100 до +6000 градусов), и радиационные, когда определяется тепловое действие лучеиспускания (от -50 до +2000 градусов). Они могут использоваться в том числе и для определения температуры нагретого металла, а также при наладке и испытаниях котлов.

Характеристики пирометров

Оптическое разрешение пирометра
Очевидно, «поле зрения» пирометра должно быть небольшим – чтобы пятно, которое «видит» сенсор, не превышало размеров предмета, температура которого нам интересна. Казалось бы, в чем проблема – надо подобрать объектив так, чтобы его угол зрения был минимальным. Но чем меньше площадь измеряемого пятна, тем меньше лучей проходит сквозь объектив и тем чувствительней должен быть сенсор. Поэтому оптическое разрешение пирометра – соотношение между расстоянием до предмета и диаметром пятна измерений – во многом определяет его функциональность и цену.

Читать еще:  Hyundai solaris какой двигатель выбрать

Приборы с небольшим оптическим разрешением – до 10:1 чаще используются для несложных измерений и в быту. Рабочее расстояние таких приборов – не более 1 метра, на больших расстояниях точность измерений сильно снижается.

Приборы с оптическим разрешением до 30:1 уже могут использоваться для измерения температуры небольших объектов на расстояниях до 3 метров.

Оптическое разрешение от 50:1 встречается обычно у профессиональных пирометров – они позволяют с высокой точностью измерять температуру тел на больших расстояниях, но и стоят в разы дороже бытовых.

Многие приборы снабжаются дополнительными функциями, позволяющими точнее «сфокусироваться» на интересующем вас объекте при одном и том же оптическом разрешении. Функция мин/макс значение, например, позволяет вывести на экран максимальное и минимальное значения температуры, которые прибор «увидел» внутри пятна. С этой функцией вы сможете определить температуру небольшого предмета, даже если пятно измерений больше его по размерам и в него попало много других, более холодных, предметов.

Некоторые приборы дают возможность настройки того, какую температуру будет показывать индикатор во время измерения: максимальную по пятну, среднюю или минимальную.

Функция непрерывного измерения пригодится при поиске точек утечки тепла или неисправных электрических элементов. С этой функцией вы можете перемещать лазерный маркер по интересующей вас поверхности, а пирометр будет в режиме непрерывного измерения выводить температуру поверхности в районе маркера.

Минимальная и максимальная определяемая температуры задают диапазон, в котором можно использовать прибор. Подбирайте параметры в соответствии с тем, каковы температуры интересующих вас объектов. Базовые модели обычно измеряют в пределах ‑50…500ºС, и для бытовых измерений этого вполне достаточно. Минимальная определяемая температура ниже -50 у этих приборов практически не встречается, а максимальная может достигать 2200ºС, но чем шире диапазон, тем дороже будет стоить пирометр.

Время отклика будет для вас важным, если нужно произвести множество измерений или если измеряемая температура меняется быстро. Например, под действием электрического тока некачественное контактное соединение может нагреться за секунду на сотни градусов. В этом случае времени отклика в 1 секунду будет слишком много – лучше брать прибор с временем отклика 0,5 секунд. Если и этого мало, придется раскошелиться – профессиональные модели обладают временем отклика до 0,15 секунд, но и стоят они соответственно.

Коэффициент эмиссии определяет, на какой материал настроен прибор. Бытовые приборы имеют коэффициент 0,95 – они подойдут для измерения температуры предметов из матового пластика, бетона, кирпичей, человеческого тела и т.д. (см. таблицу).

Если коэффициент эмиссии материала, температуру которого вы хотите измерить, сильно отличается от 0,95, то его нужно привести к нужному значению, наклеив на поверхность кусок изоленты, покрасив матовой краской и т.п. Если это невозможно сделать, то лучше сразу подбирать прибор с изменяемым коэффициентом эмиссии – большинство таких приборов позволяют задавать его в диапазоне от 0,1 до 1.

Определение влажности говорит о том, что в прибор встроен гигрометр. Он определяет влажность окружающего воздуха, но никак не предмета, на который нацелен лазерный маркер (как некоторые думают). Зачем это нужно? Чаще всего этой функцией пользуются для определения точки росы и оценки риска выпадения конденсата на исследуемых поверхностях.

Пирометры с определением влажности, как правило, умеют сами рассчитывать точку росы и при измерении температуры поверхности, могут сразу сообщить – появится ли на ней конденсат. Это может быть очень важно в складах, теплицах, да и в жилых помещениях тоже. Выпадение конденсата – неприятность само по себе, но при определенных температурах оно еще и способствует образованию плесени. Некоторые пирометры имеют функцию определения риска образования плесени.

Как подобрать?

При выборе датчика температуры необходимо руководствоваться такими критериями:

  • если датчик будет соприкасаться или располагаться внутри измеряемой среды, то берется контактная модель, если находиться вне объекта, то бесконтактная;
  • условия и состояние среды, в которой он будет функционировать (влажность, агрессивные вещества и т.д.) должны соответствовать возможностям датчика;
  • шаг и градуировка измерений должны обеспечивать удобную эксплуатацию и датчика, и оборудования;
  • если датчик подлежит замене в ходе эксплуатации, то устанавливаются сменные варианты;
  • при выборе датчика температуры для замены неисправного, лучше воспользоваться его VIN кодом;
  • предел рабочих температур должен охватывать все возможные значения нагрева, некоторые из них приведены в таблице ниже.

Таблица: температурные пределы датчиков термоэлектрического типа

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector