性能特點(diǎn)和作用說明

康明斯水溫傳感器的工作原理和電阻電壓檢測(cè)方法

 

摘要：冷卻液溫度傳感器，又名水溫傳感器。溫度傳感器是一種敏感元件，它直接感受被測(cè)量的物理量的變化而發(fā)生電量的變化；其作用是將這些物理量的變化轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可測(cè)量的電學(xué)量輸出。其中應(yīng)用于柴油發(fā)電機(jī)的水溫傳感器，它的敏感元件是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。即水溫越高，自電阻越小，電壓信號(hào)越大。康明斯公司在下文中主要以柴油機(jī)的水溫傳感器為例，介紹了水溫傳感器的分類、原理、應(yīng)用、接線方式和電阻電壓測(cè)量方法。

 

一、溫度傳感器的分類  

 

      溫度傳感器按工作原理分為線繞電阻式、熱電偶式、熱敏電阻式、半導(dǎo)體式等，以熱電偶、熱電阻所用最多。

1、線繞電阻式

      繞線電阻式溫度傳感器是在絕緣繞線架上繞有高純度的鎳線，再罩上適當(dāng)?shù)耐馓锥瞥傻模糜跍y(cè)量冷卻液溫度和進(jìn)氣溫度；利用其電阻值隨溫度變化而變化的特性，其 精度在±1%以內(nèi)，響應(yīng)特性差，時(shí)間常數(shù)約為15s，一般已經(jīng)廢除使用。

2、熱電偶

      熱電偶將兩種不同性質(zhì)的金屬貼合在一起，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，在其結(jié)合面上將產(chǎn)生電位差，這一原理可以用來測(cè)量溫度。

3、熱敏電阻

      熱敏電阻利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性來測(cè)量溫度。熱敏電阻是屬于在溫度變化時(shí)電阻值變化較大(溫度系數(shù)大)的一種硅半導(dǎo)體，由鎳、銅、鋅、鎂、錳等金屬與一些金屬氧化物以適當(dāng)比例混合并在高溫下燒結(jié)而成。所摻金屬氧化物的比例和燒結(jié)溫度的不同，可制成用于不同溫度范圍的熱敏電阻。在一般情況下，將工作溫度范圍在-20～130℃的半導(dǎo)體用作水溫傳感器；將工作溫度范圍在600～1000℃的半導(dǎo)體用作檢測(cè)觸媒溫度的傳感器(如排氣溫度傳感器)。按電阻值隨溫度變化的特性，可將熱敏電阻分為NTC型、PTC型和CRT型三類。

① NTC(負(fù)溫度系數(shù))型隨著溫度上升電阻值減小的熱敏電阻。

② PTC(正溫度系數(shù))型隨著溫度上升電阻值增大的熱敏電阻。

③ CRT(臨界溫度系數(shù))型隨著溫度上升電阻值按指數(shù)函數(shù)減小的熱敏電阻。

      在上述三種熱敏電阻中，NTC型熱敏電阻較多地應(yīng)用于柴油發(fā)電機(jī)傳感器。在工程上，熱敏電阻可根據(jù)需要制成各種不同形狀，其可測(cè)阻值范圍在幾歐姆至幾兆歐姆。NTC熱敏電阻溫度傳感器線性較差，利用鉑絲電阻隨溫度線性變化的特性可制成鉑熱敏電阻傳感器。

4、半導(dǎo)體式

      半導(dǎo)體式傳感器是由N型硅或其他類型的PN結(jié)制成的晶體管、二極管等構(gòu)成的器件，其特點(diǎn)是體積小能承受較大的工作電流和較高的輸入/輸出阻抗以及抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

 

二、溫度傳感器的原理和應(yīng)用  

 

      水溫傳感器一般安裝在缸體水套、缸體出水口上，與冷卻水接觸，以盡量準(zhǔn)確地檢測(cè)到缸體水溫的狀況，機(jī)油溫度傳感器則可安裝于機(jī)油冷卻器等處。溫度傳感器總成一般是由墊圈、水溫傳感器、導(dǎo)線接頭三部分組成。

1、NTC型傳感器

      NTC熱敏電阻式溫度傳感器內(nèi)部是一個(gè)半導(dǎo)體熱敏電阻，具有負(fù)的溫度電阻系數(shù)，可用于測(cè)量水溫和油溫。水溫、油溫愈低，電阻愈高；反之，溫度愈高，電阻愈低，溫度傳感器可以與水溫表、油溫表連接，也可與柴油發(fā)電機(jī)ECU連接。以水溫傳感器為例：

（1）當(dāng)與水溫表連接時(shí)，若外殼搭鐵，則可只用一根連線。水溫傳感器與水溫表的組合可分為熱敏電阻式傳感器與雙金屬片式水溫表、熱敏電阻式傳感器與電磁式水溫表、熱敏電阻式傳感器與動(dòng)磁式水溫表等數(shù)種。其中熱敏電阻式傳感器與雙金屬片式水溫表的線路連接。

（2）當(dāng)水溫低時(shí)，熱敏電阻值高，回路中電流較小，電阻絲的發(fā)熱量小，雙金屬片稍有彎曲，指示針在低溫區(qū)(C區(qū))。當(dāng)水溫高時(shí)，熱敏電阻值小，通過回路的電流較大，電阻絲的發(fā)熱量較大，雙金屬片彎曲變形較大，指示針指向高溫區(qū)(H區(qū))。

（3）水溫傳感器和柴油發(fā)電機(jī)ECU的連接。傳感器的熱敏電阻與ECU內(nèi)部上拉電阻分壓后，產(chǎn)生一個(gè)隨熱敏電阻阻值的變化而變化的電壓、柴油發(fā)電機(jī)ECU根據(jù)這一電壓的變化測(cè)得柴油發(fā)電機(jī)冷卻水溫度。

（4）有些水溫傳感器包括2個(gè)熱敏電阻，有4個(gè)接線柱(四線型)，2個(gè)接柱與柴油發(fā)電機(jī)ECU連接，另外2個(gè)接柱與水溫表連接。1、3接線柱與柴油發(fā)電機(jī)ECU連接，向ECU提供水溫信號(hào)。2、4接線柱與水溫表連接，顯示水溫讀數(shù)。

2、開關(guān)型水溫傳感器

      雙金屬片式水溫傳感器可構(gòu)成開關(guān)型傳感器，可與水溫過高報(bào)警燈連接。當(dāng)冷卻水溫正常時(shí)雙金屬片變形小，觸點(diǎn)分開，報(bào)警燈不亮。如果冷卻水溫升高到95～105℃以上，雙金屬片由于溫度升高而彎曲變形較大，使觸點(diǎn)閉合，報(bào)警燈電路接通發(fā)亮。工作原理如圖2所示。

 

圖1  熱敏電阻式水溫傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

圖2  雙金屬片式水溫傳感器原理圖

 

 

三、熱敏電阻的接線方式

 

      熱敏電阻式溫度傳感器是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號(hào)通過引線傳遞到計(jì)算機(jī)控制裝置或者其它一次儀表上，其電路連接如圖3、圖4所示。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有較大的影響。國標(biāo)熱電阻的引線主要有三種方式：

1、二線制

      在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號(hào)的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)合

2、三線制

      在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的。

3、四線制

      在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表。可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測(cè)。

      一般熱電阻采用三線制接法。采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測(cè)量誤差。這是因?yàn)闇y(cè)量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測(cè)量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測(cè)量誤差。

圖3  水溫傳感器電路圖

圖4  水溫傳感器與ECU電路接線圖

 

 

四、水溫傳感器的電壓測(cè)量方法

 

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