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性能特点和作用说明 |
康明斯水温传感器的工作原理和电阻电压检测方法 |
摘要：冷却液温度传感器，又名水温传感器。温度传感器是一种敏感元件，它直接感受被测量的物理量的变化而发生电量的变化；其作用是将这些物理量的变化转换成与之对应的可测量的电学量输出。其中应用于柴油发电机的水温传感器，它的敏感元件是负温度系数的热敏电阻。即水温越高，自电阻越小，电压信号越大。康明斯公司在下文中主要以柴油机的水温传感器为例，介绍了水温传感器的分类、原理、应用、接线方式和电阻电压测量方法。
一、温度传感器的分类
温度传感器按工作原理分为线绕电阻式、热电偶式、热敏电阻式、半导体式等，以热电偶、热电阻所用最多。
1、线绕电阻式
绕线电阻式温度传感器是在绝缘绕线架上绕有高纯度的镍线，再罩上适当的外套而制成的，用于测量冷却液温度和进气温度；利用其电阻值随温度变化而变化的特性，其 精度在±1%以内，响应特性差，时间常数约为15s，一般已经废除使用。
2、热电偶
热电偶将两种不同性质的金属贴合在一起，当环境温度变化时，在其结合面上将产生电位差，这一原理可以用来测量温度。
3、热敏电阻
热敏电阻利用导体的电阻随温度变化而变化的特性来测量温度。热敏电阻是属于在温度变化时电阻值变化较大(温度系数大)的一种硅半导体，由镍、铜、锌、镁、锰等金属与一些金属氧化物以适当比例混合并在高温下烧结而成。所掺金属氧化物的比例和烧结温度的不同，可制成用于不同温度范围的热敏电阻。在一般情况下，将工作温度范围在-20～130℃的半导体用作水温传感器；将工作温度范围在600～1000℃的半导体用作检测触媒温度的传感器(如排气温度传感器)。按电阻值随温度变化的特性，可将热敏电阻分为NTC型、PTC型和CRT型三类。
① NTC(负温度系数)型随着温度上升电阻值减小的热敏电阻。
② PTC(正温度系数)型随着温度上升电阻值增大的热敏电阻。
③ CRT(临界温度系数)型随着温度上升电阻值按指数函数减小的热敏电阻。
在上述三种热敏电阻中，NTC型热敏电阻较多地应用于柴油发电机传感器。在工程上，热敏电阻可根据需要制成各种不同形状，其可测阻值范围在几欧姆至几兆欧姆。NTC热敏电阻温度传感器线性较差，利用铂丝电阻随温度线性变化的特性可制成铂热敏电阻传感器。
4、半导体式
半导体式传感器是由N型硅或其他类型的PN结制成的晶体管、二极管等构成的器件，其特点是体积小能承受较大的工作电流和较高的输入/输出阻抗以及抗污染能力强等优点。
二、温度传感器的原理和应用
水温传感器一般安装在缸体水套、缸体出水口上，与冷却水接触，以尽量准确地检测到缸体水温的状况，机油温度传感器则可安装于机油冷却器等处。温度传感器总成一般是由垫圈、水温传感器、导线接头三部分组成。
1、NTC型传感器
NTC热敏电阻式温度传感器内部是一个半导体热敏电阻，具有负的温度电阻系数，可用于测量水温和油温。水温、油温愈低，电阻愈高；反之，温度愈高，电阻愈低，温度传感器可以与水温表、油温表连接，也可与柴油发电机ECU连接。以水温传感器为例：
（1）当与水温表连接时，若外壳搭铁，则可只用一根连线。水温传感器与水温表的组合可分为热敏电阻式传感器与双金属片式水温表、热敏电阻式传感器与电磁式水温表、热敏电阻式传感器与动磁式水温表等数种。其中热敏电阻式传感器与双金属片式水温表的线路连接。
（2）当水温低时，热敏电阻值高，回路中电流较小，电阻丝的发热量小，双金属片稍有弯曲，指示针在低温区(C区)。当水温高时，热敏电阻值小，通过回路的电流较大，电阻丝的发热量较大，双金属片弯曲变形较大，指示针指向高温区(H区)。
（3）水温传感器和柴油发电机ECU的连接。传感器的热敏电阻与ECU内部上拉电阻分压后，产生一个随热敏电阻阻值的变化而变化的电压、柴油发电机ECU根据这一电压的变化测得柴油发电机冷却水温度。
（4）有些水温传感器包括2个热敏电阻，有4个接线柱(四线型)，2个接柱与柴油发电机ECU连接，另外2个接柱与水温表连接。1、3接线柱与柴油发电机ECU连接，向ECU提供水温信号。2、4接线柱与水温表连接，显示水温读数。
2、开关型水温传感器
双金属片式水温传感器可构成开关型传感器，可与水温过高报警灯连接。当冷却水温正常时双金属片变形小，触点分开，报警灯不亮。如果冷却水温升高到95～105℃以上，双金属片由于温度升高而弯曲变形较大，使触点闭合，报警灯电路接通发亮。工作原理如图2所示。
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图1 热敏电阻式水温传感器结构原理图 |
图2 双金属片式水温传感器原理图 |
三、热敏电阻的接线方式
热敏电阻式温度传感器是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上，其电路连接如图3、图4所示。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。国标热电阻的引线主要有三种方式：
1、二线制
在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合
2、三线制
在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。
3、四线制
在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。
一般热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。
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图3 水温传感器电路图 |
图4 水温传感器与ECU电路接线图 |
四、水温传感器的电压测量方法
1、检查电源电压
用万用表的两个探头检查两线之间的电压是高于还是低于5V的参考电压（有些型号直接给水温传感器提供12V电压，比如水温表）。请注意测量电压时，分别拔下传感器插头看插头信号线与搭铁线之间的电压，与插回插头，看不同水温下传感器信号线与搭铁线之间的电压。观看电压值是否会变化，来判断水温传感器是否存在故障。
2、读取数据流
正常水温信号大部分在95℃左右（高温发动机在115℃左右）。如果发现水温传感器信号异常，应进行检修。比如水温信号显示-40℃，则表示负极开路或短路，130℃时无变化，则表示正极短路。通过数据流进行检查时，一般看数据流显示的，也就是水温传感器给到电脑的水温数值是否符合实际情况，水温是否会随着车时间发生变化，也可与水温表进行对比，看数据是否一致等。
3、检查电阻
加热水温传感器并测量其电阻，水温传感器的电阻通常在275Ω~6500Ω之间，我们在测量的时候，一般会测量几个不同温度下的电阻值，看其是否符合负温度系数热敏电阻的特性，以及是否是断路状态。来判断其是否存在故障。
总结：
众所周知，安装在冷却水道上面，主要在缸盖、缸体、节温器附近。负责监测柴油机水温用的传感器会采用负温度系数冷却液温度传感器来测量，主要利用的就是冷却液温度传感器会随着温度的上升其电阻值下降的这一特点，在柴油机发动机运作过程中，不仅要保证温度测量响应速度快、温度判断精准，还要准确地将实时温度提供给电子控制单元。为此，康明斯公司生产的柴油机用NTC冷却液温度传感器，具有高精度、高稳定性、快速反应、防潮防水性好等特点，在柴油机水温传感器中起到温度监测和温度控制的重要作用。相信通过阅读上面的内容，大家对冷却液温度传感器有了初步的了解，同时也希望大家在学习过程中，做好总结，这样才能不断提升自己的专业水平。
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