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Sensoren

  

Temperatursensor - NTC

NTC steht für Negativer Temperaturkoeffizient (-beiwert).

Es handelt sich um  einen Sensortyp, dessen Eigenschaft es ist, dass sein Widerstand bei steigender Temperatur abnimmt.

Zur Erfassung hoher Temperaturen eignen sich theoretisch ein NTC, also ein Messwiderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten, ein Thermoelement oder ein Platinmesswiderstand. Die Temperaturerkennung per Heißleiterwiderstand ist ca. von - 40° C bis  + 200° C möglich. Bei höheren Temperaturen beispielsweise zu Messungen im Abgas bis 1000°C ist ein Hochtemperatursensor (HTS) mittels Dünnschicht-Platinmesswiderstand oder ein Thermoelement sinnvoll.

Temperatursensoren, auch Temperaturfühler genannt, liefern als Maß für die Temperatur eine veränderliche elektrische Spannung als Signal. Dieses Signal ist analog.

 

Schaltzeichen (Ein Pfeil symbolisiert die Temperatur, der andere den Widerstand)

 Schaltzeichen NTC

Anm.: Im Gegensatz dazu gibt es natürlich auch PTC's (Positiver Temperaturkoeffizient). Dessen Widerstand steigt bei Temperaturerhöhung. Im Grunde ist eigentlich jeder Leiter oder Glühlampendraht ein PTC.  PTC's finden als Heizelemente (z.B. Lambdasondenheizung) Verwendung.

 

Einsatz des NTCs als

  • Kühlwassertemperatursensor
  • Ansauglufttemperatursensor
  • Kraftstofftemperatursensor
  • Katalysatorüberwachung
  • Öltemperatursensor
  • Ladelufttemperatursensor
  • Fahrer- oder Beifahrersitztemperatur (Klimaanlage)
  • Hochtemperatursensoren für AGR, Turbolader, Rußfilter, DeNOx-Katalystoren mit Platinmesswiderstand siehe Beru HTS

Erklärung am Beispiel des Kühlmittel-NTC

Der Kühlmitteltemperatursensor erfasst die Betriebstemperatur des Motors. Der NTC-Widerstand wird dazu vom Kühlmittel erwärmt, d. h. er wird fremderwärmt. Abhängig von der Kühlmitteltemperatur verändert sich der Widerstand des Temperaturfühlers. Bei kaltem Motor (–20° C) hat der NTC einen hohen Widerstand (z.B. ca. 14 kΩ, blaue Kennlinie im Diagramm). Durch Erwärmung des Kühlmittels (+80° C) sinkt der Widerstand auf einen niedrigen Wert (z.B. 300 Ω). Dabei wird der NTC vom Steuergerät mit einer Hilfsspannung von 5 Volt versorgt. Der Strom bewirkt am NTC einen Spannungsfall, der im Steuergerät gemessen wird. Der Spannungsfall verringert sich entsprechend der Abnahme des Widerstands. Am Spannungsfall erkennt das Steuergerät die Kühlmitteltemperatur. Bei kaltem Motor ist der Spannungsfall hoch, das Steuergerät erhöht die einzuspritzende Kraftstoffmenge, um das Gemisch anzufetten.

Physikalisches Prinzip


Das Verhalten eines Heißleiters ist bemerkenswert, schließlich weiß man ja noch aus dem Physikunterricht, dass ein Leiter bei Wärme die Elektronen schlechter leitet. Aber bei Temperaturfühlern handelt es sich um halbleitende Bauteile, die einen PN-Übergang aufweisen (s. Erklärung). Am Übergang zwischen der p- und der n-leitenden Schicht nimmt der Widerstand bei Zunahme der Temperatur ab und erleichtert so einen größeren Elektronenfluss.

NTC PrinzipPrinzipdarstellung

Heißleitendes Verhalten zeigen zum einen reine Halbleitermaterialien und zum anderen verschiedene andere Legierungen mit negativem Temperaturkoeffizienten. Es kommen halbleitende Metalloxidmischungen wie z.B. ZkTiO4 und MgCr2O4 u.v.m. zum Einsatz. Ein anderer Begriff für Heißleiter ist auch Thermistor.

Kühlmittel NTC

Kühlmitteltemperatursensor

Diagramm von drei NTCs 

Typisches NTC-Diagramm von drei verschiedenen NTCs. 2 KΩ, 3KΩ und 5KΩ (bei 25°C)

Ein Ausfall des Kühlmittel-NTC's macht sich häufig durch schlechtes Startverhalten, erhöhte Leerlaufdrehzahl und höherem Kraftstoffverbrauch bemerkbar. Das Abgas wird auch schlechter. Grund: ein beispielsweise gelöster Steckverbinder simuliert einen unendlich hohen Widerstand und somit eine extreme Kälte. Das Motorsteuergerät erkennt durch eine Plausibilitätsprüfung (Fehlererkennung) diesen Fehler und schaltet auf einen Ersatzwert. Im Fehlerspeicher wird dies abgespeichert.

 

Prüfung von NTC's

Widerstand des Temperaturfühlers mit einem Multimeter feststellen. Bei kaltem Motor hoher Widerstand, bei warmen Motor niedrigerer Widerstand. Die Werte sind herstellerabhängig. Man kann in etwa sagen, bei ca. 20°C liegt der Wert ca. zwischen 2 und 6 k Ohm. Bei 80°C ungefähr um die 300 Ohm.

Nach dem Messen des Temperaturfühlers sind Stecker und Kabel auf Durchgang und Masseschluss zu prüfen (abgezogener NTC-Stecker und Steuergerätestecker). Die PIN-Belegung des Steuergerätesteckers wäre hierbei hilfreich.

Werte:

  • Durchgangsprüfung: ca. 0 Ohm.
  • Masseschluss: > 30 M Ohm

Als letztes Versorgungsspannung prüfen. Steuergerätestecker aufgesteckt, Zündung ein, NTC-Stecker abgesteckt

Wert:

  • ca. 5V

Hochtemperatursensor (HTS von Beru)


Zum Schutz von Bauteilen wie Turboladern sind besondere Temperatursensoren erforderlich. Sie sitzen direkt im Abgasstrom, messen dessen Temperatur und leiten die Daten zur Auswertung und Weiterverarbeitung ans Motorsteuergerät weiter.

Der Hochtemperatursensor (HTS) von BERU, der einen Messbereich von minus 40 bis plus 950 Grad Celsius aufweist, besitzt eine hohe Abgasbeständigkeit. Er besitzt als eigentlichen Sensor ein RTD-Element (Resistance Temperature Detector) aus Platin mit einer Normkennlinie nach DIN IEC 751. Ein wesentlicher Pluspunkt eines solchen Platin-Sensorelements ist seine genormte Kennlinie und die OBD-Fähigkeit über alle Temperaturbereiche.Er eignet sich optimal zur Überwachung von Turboladern, Abgasrückführsystemen, Dieselpartikelfiltern und DeNOx-Katalysatoren.

Herkömmliche Platinsensorelemente bestehen aus einer auf ein Substrat aus Aluminiumoxid aufgebrachten Platindünnschicht, die wiederum durch eine dünne Glasabdeckung vor Beschädigung geschützt ist. Bei Temperaturen von rund 800 Grad Celsius setzen bei Platinmesswiderständen Prozesse ein, durch die sich unter anderem ihre Kennlinie verändern kann. Beim neu entwickelten Platinmesswiderstand hat BERU deshalb diese Glasurschicht durch eine isolierende Keramikschicht ersetzt, die mit Hilfe spezieller Prozesse dicht aufgebracht wird. Dieser Aufbau verhindert eine chemische Alterung des Sensorelements. Der Messwiderstand sitzt gut geschützt in einer geschlossenen, mit Magnesiumoxid gefüllten Schutzkappe. Diese besteht - wie alle sich daran anschließenden metallischen Komponenten - aus dem Chrom-Nickelsonderstahl INCONEL 601, der sich wegen seiner ausgezeichneten Temperatur- und Schwefelbeständigkeit hervorragend für die Anwendung eignet.

Hochtemperatursensor HTS von Beru

Hochtemperatursensor Beru HTS und Einsatzbeispiele

 

Thermolemente

Verbindet man prinzipiell zwei unterschiedlichen Metalle an einem Ende miteinander, erhält man ein Thermoelement.  Dieses wandelt durch Thermoelektrizität (Seebeck-Effekt) Wärme in elektrische Energie um. An den freien Enden der beiden miteinander verbundenen Leiter wird bei einer Temperaturdifferenz entlang der Leiter eine elektrische Spannung erzeugt. Die Verbindungsstelle und die freien Enden müssen dazu unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Somit eignet sich ein Thermoelement auch als Temperatursensor.

Thermoelement Prinzip

Prinzip des Thermoelements (Wikipedia)

Platin-Rhodium/Platin Thermoelemente eignen sich beispielsweise für Temperaturen von 0 bis 1600 °C und Nickel-Chrom/Nickel Thermoelemente sind für Thermospannungen zwischen  −270 °C und 1372 °C geeignet.

 

Weitere Temperatursensorbeispiele

NTC Abgas

Temperaturfühler zur Überwachung der Abgasrückführungstemperatur

 

NTC

Temperatursensor für einen großen Temperaturbereich z.B. zwischen 100 und 1000 °C von NTK (Platinmesswiderstand)

Einsatz zur Katalysatorüberwachung

NTC Ladeluft

Ladelufttemperatursensor

NTC Ansaugluft

Sensor zur Messung der Ansauglufttemperatur


Quellen: Seat, Bosch, Beru, NTK, Wikipedia, Internet diverse,

Johannes Wiesinger
bearbeitet: 10.07.2016
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