Εισαγωγή

Το αισθητήριο θερμοκρασίας εξαγόμενων καυσαερίων χρησιμεύει στην μέτρηση της θερμοκρασίας των αερίων που εξάγονται από την εξάτμιση μιας οποιαδήποτε κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Η θερμοκρασία των καυσαερίων μπορεί να παρέξει πολύτιμες πληροφορίες για την κατάσταση στην οποία βρίσκεται ο κινητήρας. Για παράδειγμα, ένα φραγμένο φίλτρο αέρος θα παρέξει χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας, ενώ μια κακή τροφοδοσία καυσίμου θα αυξήσει την θερμοκρασία των εξαγόμενων καυσαερίων. Αυτό δίνει την δυνατότητα επέμβασης και διόρθωσης των προβλημάτων, πριν ο κινητήρας υποστεί βλάβες. Εκτός από την λειτουργία χωρίς λιπαντικό ή τον εφοδιασμό με νοθευμένα καύσιμα, λίγα πράγματα μπορούν να καταστρέψουν μια μηχανή εσωτερικής καύσης τόσο όσο η αύξηση θερμοκρασίας των εξαγόμενων καυσαερίων. Αυτό δηλώνει το πόσο σημαντικό είναι το συγκεκριμένο αισθητήριο για την προστασία των μηχανών και πόσο χαμηλό το κόστος εγκατάστασης συγκρινόμενο με την προστασία που παρέχει. Τα αισθητήρια τοποθετούνται άμεσα στους κυλίνδρους των μηχανών για να μετρήσουν τη θερμοκρασία εξάτμισης, και παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες στους οδηγούς για την απόδοση του κινητήρα.

Τα στοιχεία που συλλέγονται από το αισθητήριο βοηθούν στη βελτιστοποίηση της λειτουργίας μιας μηχανής και μπορεί να είναι ένα κρίσιμο στοιχείο ενός ολοκληρωμένου συστήματος πρόβλεψης προβλημάτων. Η ανίχνευση ακόμη και των λεπτών αλλαγών στην εξάτμιση ενός κυλίνδρου μπορεί να δώσει στους χειριστές τη δυνατότητα να διακόψουν τη λειτουργία μιας μηχανής για να εκτελεστεί μια προληπτική συντήρηση, προτού να εμφανιστεί μια βλάβη στη μηχανή.

Το αισθητήριο βοηθάει, επίσης, κατά τη διάρκεια της κανονικής συντήρησης, όπου παρέχει συνεχώς στοιχεία όσον αφορά τις αλλαγές μέσα σε μια μηχανή. Αυτές οι πληροφορίες συλλέγονται και αποθηκεύονται με την βοήθεια μικροϋπολογιστών (ECMs ή PCMs) μέχρι να χρησιμοποιηθούν. Κατά τη διάρκεια της κανονικής συντήρησης, οι πληροφορίες ελέγχονται και αναλύονται, επιτρέποντας στους χειριστές να αξιολογήσουν την απόδοση μιας μηχανής και να εντοπίσουν οποιαδήποτε υπάρχοντα ή πιθανά προβλήματα. Πάλι, τα στοιχεία που παρέχονται από το αισθητήριο μπορούν να αποδειχθούν πολύ σημαντικά στην αποτροπή των διακοπών λειτουργίας της μηχανής.

Το αισθητήριο αποτελείται από τρία μέρη, από το θερμοηλεκτρικό ζεύγος (thermocouple), από το πυρόμετρο (gauge) και, φυσικά, από το καλώδιο που συνδέει αυτά τα δύο.

Οι βασικές αρχές του θερμοηλεκτρικού ζεύγους ανακαλύφθηκαν το 1821 από τον Τόμας Γιόχαν Ζέεμπεκ (Thomas Seebeck). Το θερμοηλεκτρικό ζεύγος αποτελεί το ζωτικό όργανο του όλου αισθητηρίου, καθώς είναι αυτό που εκτελεί τη μέτρηση της θερμοκρασίας των εξαγόμενων καυσαερίων μετατρέποντας τη θερμότητα σε ηλεκτρισμό. Υπάρχουν αρκετοί διαφορετικοί τύποι θερμοηλεκτρικών ζευγών (Εικόνα 2), που χρησιμοποιούν διαφορετικά υλικά για διαφορετικές θερμοκρασίες, αλλά όλα βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας, δηλαδή στο φαινόμενο Ζέεμπεκ.

Φαινόμενο Ζέεμπεκ

Όταν δύο διαφορετικά μέταλλα συνδεθούν και τα σημεία συνδέσεων βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, τότε αναπτύσσεται μια διαφορά τάσεως στα δύο μη συνδεδεμένα άκρα που είναι ανάλογη προς τη διαφορά θερμοκρασίας, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.

Η διάταξη ονομάζεται θερμοζεύγος. Έτσι, εάν το σημείο Τ1 κρατείται σε γνωστή θερμοκρασία, η μέτρηση της τάσεως V θα δώσει την άγνωστη θερμοκρασία T2. Η σύνδεση στην T1 ονομάζεται σύνδεση αναφοράς καθώς η θερμοκρασία T1 μετριέται σε σχέση με την T1. Η τάση V, ανάλογη προς τη διαφορά θερμοκρασίας Τ2 - Τ1, είναι γνωστή σαν το φαινόμενο Ζέεμπεκ και ο συντελεστής α ονομάζεται θερμοηλεκτρική ισχύς. Μέταλλα που συνηθέστερα χρησιμοποιούνται για την κατασκευή θερμοζευγών είναι ο σίδηρος, ο χαλκός, ο λευκόχρυσος και διάφορα κράματα, όπως χρώμελ (κράμα νικελίου και χρωμίου), αλούμελ (κράμα αλουμινίου και νικελίου), κονσταντάνη (κράμα χαλκού και νικελίου) και λευκόχρυσος - ρόδιο. Τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται ανά ζεύγη έτσι ώστε να αναπτύσσουν τη μεγαλύτερη θερμοηλεκτρική ισχύ. Για τις περισσότερες εφαρμογές, τα θερμοζεύγη κατασκευάζονται από τα μέταλλα που αναφέρονται παραπάνω σε μορφή σύρματος. Εφόσον η θερμοηλεκτρική ισχύς των θερμοζευγών είναι αρκετά μικρή, το μέγεθος της αναπτυσσόμενης τάσης περιορίζεται σε λίγα μίλιβολτ(mV) για κάθε διαφορά θερμοκρασίας 100° C . Έτσι, για ακριβείς μετρήσεις θερμοκρασίας απαιτείται η χρήση οργάνων υψηλής ευαισθησίας. Στις περισσότερες περιπτώσεις χρησιμοποιείται ένα ποτενσιόμετρο ή μικροβολτόμετρο. Το μπάνιο νερού-πάγου μπορεί να αντικατασταθεί με μια ισοδύναμη πηγή τάσεως (μπαταρία). Η τελευταία διάταξη είναι γνωστή σαν θερμοζεύγος ηλεκτρικά αντισταθμιζόμενο .

Η επιλογή του βέλτιστου τύπου θερμοηλεκτρικών ζευγών (μέταλλα που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή τους) είναι βασισμένη στη θερμοκρασία εφαρμογής, την ατμόσφαιρα, το απαραίτητο μήκος , την ακρίβεια και το κόστος. Ένα πραγματικό επίτευγμα της μηχανικής είναι ότι αυτά τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη είναι εντυπωσιακά αξιόπιστα και ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες. Τα λεπτά μέρη που απαρτίζουν το θερμοηλεκτρικό ζεύγος θεωρείται ότι είναι σχεδόν αδύνατον να σπάσουν εκτός και εάν ξεπεραστεί η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας. Αυτή η παραδοχή είναι πολύ σημαντική διότι η θέση στην οποία τοποθετούνται τα ζεύγη δεν επιτρέπει την αποκόλληση τμημάτων του θερμοηλεκτρικού ζεύγους γιατί κάτι τέτοιο θα κατάστρεφε τμήματα της μηχανής.

Διάγραμμα λειτουργίας

Η τάση που παράγει το θερμοηλεκτρικό ζεύγος οδηγείται στο ολοκληρωμένο κύκλωμα AD595 (Εικόνα 6) το οποίο λαμβάνει μια τάση σε μV και έχει ως σκοπό να μας δώσει στην έξοδό του ενισχυμένη τάση η οποία μέσω ενός μετρητή θα μετατραπεί σε βαθμούς Κελσίου . Στην Εικόνα 4 βλέπουμε το διάγραμμα ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος AD595, το οποίο είναι κατάλληλο για ένα θερμοηλεκτρικό ζεύγος τύπου Κ. Οι δύο άκρες του ζεύγους συνδέονται στις επαφές 1 και 14,

Η τροφοδοσία του ολοκληρωμένου είναι 12.30V, ιδανική λύση για την χρησιμοποίηση του σε αυτοκίνητα και μπορεί να φθάσει μέχρι τα 36V. Ο πυκνωτής που συνδέεται μεταξύ της επαφής 11 και 10 λειτουργεί ως φίλτρο θορύβου. Η έξοδος δίνεται από τις επαφές 8 και 9 όπου οδηγείται σε έναν οπτικό μετρητή και δίνει 1mV για κάθε βαθμό Κελσίου.

Εφαρμογές του αισθητηρίου εξαγόμενων καυσαερίων

Εκτός από τις εφαρμογές σε μηχανές εσωτερικής καύσεως που προαναφέραμε, το αισθητήριο εφαρμόζεται και σε αρκετούς άλλους τομείς της βιομηχανίας. Τα αισθητήρια θερμοκρασίας εξαγόμενων καυσαερίων (EGT) είναι τα καταλληλότερα για ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, μέχρι 1800° C . Είναι λιγότερο κατάλληλα για τις εφαρμογές όπου οι μικρότερες διαφορές θερμοκρασίας πρέπει να μετρηθούν με υψηλή ακρίβεια, παραδείγματος χάριν για κλίμακα μετρήσεως 0-100° C με ακρίβεια 0,1° C. Για τέτοιες εφαρμογές, οι θερμικές αντιστάσεις και τα RTDs είναι καταλληλότερα.

Τα αισθητήρια χρησιμοποιούνται εκτενώς στη βιομηχανία χάλυβα και σιδήρου για να ελέγξουν τις θερμοκρασίες και τις χημικές διεργασίες καθ’ όλη τη χαλυβουργική διαδικασία. Επίσης χρησιμοποιούνται τακτικά στην επεξεργασία λεβήτων ηλεκτρικών τόξων για να μετρήσουν ακριβώς τη θερμοκρασία του χάλυβα πριν τον τρυπήσουν. Η καμπύλη ψύξης ενός μικρού δείγματος χάλυβα μπορεί να αναλυθεί και να χρησιμοποιηθεί για να υπολογίσει την περιεκτικότητα σε άνθρακα του λιωμένου χάλυβα. Πολλές εφοδιασμένες με αέριο συσκευές θέρμανσης όπως οι φούρνοι και οι θερμοσίφωνες χρησιμοποιούν μια φλόγα έναυσης για να αναφλέξουν τον κύριο καυστήρα αερίου, όπως απαιτείται. Εάν η φλόγα έναυσης πάψει να υφίσταται για οποιοδήποτε λόγο, το αέριο απελευθερώνεται στην περιβάλλουσα περιοχή, δημιουργώντας κίνδυνο πυρκαγιάς και κίνδυνο για την σωματική υγεία των παρευρισκομένων. Για να αποτρέψουν έναν τέτοιο κίνδυνο, μερικές συσκευές χρησιμοποιούν ένα αισθητήριο όταν καίει η φλόγα έναυσης. Συγκεκριμένα, η άκρη ενός θερμοηλεκτρικού ζεύγους τοποθετείται στην φλόγα έναυσης. Η τάση των θερμοηλεκτρικών ζευγών είναι περίπου 20 mV και ενεργοποιεί τη βαλβίδα ανεφοδιασμού αερίου που είναι αρμόδια για την παροχή της φλόγας. Εφόσον η φλόγα έναυσης παραμένει αναμμένη, το θερμοηλεκτρικό ζεύγος παραμένει καυτό και κρατά τη βαλβίδα αερίου ανοικτή. Εάν η φλόγα έναυσης σβήσει, η θερμοκρασία θα μειωθεί μαζί με μια αντίστοιχη πτώση στην ηλεκτρική ενέργεια, αφαιρώντας τη δύναμη από τη βαλβίδα. Η βαλβίδα έπειτα αυτόματα θα αποκλείσει το αέριο, σταματώντας την διαρροή.

Τεχνικές δοκιμών καλής λειτουργίας

Για την δοκιμή ενός αισθητηρίου εξαγόμενων καυσαερίων (EGT) απαιτείται να έχουμε θέσει σε λειτουργία τη μηχανή ώστε το αισθητήριο να φθάσει μέχρι τη θερμοκρασία λειτουργίας του και έπειτα με ένα βολτόμετρο μεγάλης ευαισθησίας να μετρήσουμε την έξοδό του. Η επιλογή της ευαισθησίας του βολτομέτρου θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να ανταποκρίνεται στη μετρούμενη τιμή. Πιο συγκεκριμένα, σε θερμοκρασία δωματίου και όταν πρόκειται για θερμοηλεκτρικά ζεύγη j και k το βολτόμετρο θα διαβάσει λιγότερο από μισό μίλιβολτς (0,0005 volt). Και όταν το θερμοηλεκτρικό ζεύγος είναι τύπου Κ και θερμαίνεται σε μια θερμοκρασία 760° C το αισθητήριο παράγει τάση περίπου 25 μίλιβολτ (millivolts). Έτσι, το βολτόμετρο θα πρέπει να έχει την δυνατότητα να διαβάζει κλάσματα του μίλιβολτ (millivolt). Τα καλώδια των πόλων (+) συν και πλήν (-) εξαρτώνται από τον τύπο του αισθητηρίου που διαθέτουμε. Σε ένα θερμοηλεκτρικό ζεύγος τύπου Κ, το κίτρινο καλώδιο είναι το θετικό και το κόκκινο καλώδιο είναι το αρνητικό. Σε ένα ζεύγος τύπων J, το μαύρο καλώδιο είναι το θετικό και το κόκκινο καλώδιο είναι το αρνητικό.

Κατασκευαστές αισθητηρίων

1. Εταιρεία Westach

http://www.westach.com

3400 Westach Way, Sonoma, CA, 95476 U.S.A.

2. Εταιρεία Dastek UK Ltd

http://www.dastek.co.uk

Dastek House 16 Ridgeway, Hillend Business Park, Dalgety Bay, Fife.

3. Εταιρεία MGL Avionics

http://www.mglavionics.co.za

5 Fuchsia street, Heldervue, Somerset West, South Africa

4. Εταιρεία GE Sensing Worldwide Headquarters

http://www.gesensing.com

The Boston Center, 1100 Technology Drive, Billerica, MA 01821-4111, USA

5. Εταιρεία Dwyer Instruments Inc.

http://www.dwyer-inst.com

P.O. Box 373, 102 Indiana Hwy. 212, Michigan City, IN 46361 USA

6. Εταιρεία Thermo-Couple Products(TCP)

http://www.marshbellofram.com

State Route 2, Box 305, Newell, WV 26050, USA

Βιβλιογραφία-πηγές

1. http://www.foxvalleykart.com/egt.html

2. http://www.landy110.co.za/egt.htm

3. http://www.bankspower.com/Tech_whyegt.cfm

4. http://www.ultralightnews.com/engineinfo/egtwiringdia.htm

5. http://www.omega.com/prodinfo/ThermocoupleWire.html

6. http://www.iotech.com/handbook/chapt_6.html

7. http://www.temperatures.com/tcs.html

8. http://alex.eled.duth.gr/kekkeris/course/kef12005.html

9. Automotive Computer Controlled Systems, Diagnostic tools and techniques. Allan W. M. Bonnick, Butterworth-Heinemann, First published 2001. Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP

10. Understanding Automotive Electronics. By: William B. Ribbens, Ph.D. With Contributions to Previous Editions by: Norman P. Mansour, Gerald Luecke, Charles W. Battle, Edward C.Jones, Leslie E.Mansir, Newnes is an imprint of Butterworth–Heinemann Copyright © 1998 by Butterworth–Heinemann

11. Measurement and Instrumentation Principles, Alan S. Morris, Butterworth-Heinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP