Diagnose in elektronischen Kfz-Systemen 3. Sensorseite 3.3 NTC-Widerstand als Sensor
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- Clemens Steinmann
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1 1 Diagnose in elektronischen Kfz-Systemen 3. Sensorseite 3.3 NTC-Widerstand als Sensor Einleitung Der NTC-Widerstand ist ein temperaturabhängiger Widerstand. Sein Ohmwert sinkt, wenn die Temperatur steigt. Zwischen -30 C und +120 C ändert sich der Ohmwert eines NTC-Widerstandes etwa im Verhältnis 100 : 1. Die Temperatur eines Körpers, einer Flüssigkeit, oder eines Gases (Luft) wird mit Hilfe eines NTC-Widerstandes in eine elektrische Spannung umgewandelt. Dazu wird der NTC-Widerstand in eine elektrische Messschaltung eingebaut. Zusammenhängende Darstellung der Messschaltung X2 Kabelbaumstecker, Sensorseite Die Anschlussnummern sind frei gewählt und von System zu System verschieden. Die Messschaltung ist eine Reihenschaltung aus den beiden Widerständen R i und R NTC. Das Steuergerät stellt die Versorgungsspannung der Messschaltung zur Verfügung. Sie beträgt herkömmlicherweise 5,0 Volt. Der Widerstand R i befindet sich als unveränderlicher Widerstand im Steuergerät und ist von außen nicht zugänglich. Am R NTC entsteht ein Spannungsfall, der vom Ohmwert des R NTC und vom Ohmwert des R i abhängt. Bei niederen Temperaturen ist der Ohmwert des R NTC hoch, deshalb entsteht bei niederen Temperaturen an diesem Widerstand ein höherer Spannungsfall als bei mittleren und hohen Temperaturen. Der Spannungsfall U NTC wird im Steuergerät erfasst (Sensorabfrage), von einem AD- Wandler in einen digitalen Wert umgewandelt und der CPU zugeführt. Die Höhe des Spannungsfalls U NTC ist ein Maß für die Temperatur, die den R NTC umgibt.
2 2 Diagnose in elektronischen Kfz-Systemen 3.3 NTC-Widerstand als Sensor Aufgelöste Darstellung der Messschaltung Zahlenbeispiel Bei -30 C beträgt der Widerstand R NTC und bei +120 C nur noch 200. Berechnung der Teilspannung U NTC für die Temperatur -30 C I = Stromstärke im Messkreis I = U : (R i + R NTC ) = 5,0 V : ( ) = 0, A = 0,238 ma U NTC = I R NTC = 0, A = 4,76 V Berechnung der Teilspannung U NTC für die Temperatur +120 C I = Stromstärke im Messkreis I = U : (R i + R NTC ) = 5,0 V : ( ) = 0, A = 4,167 ma U NTC = I R NTC = 0, A 200 = 0,833 V. Grundsätzlich gilt Die Teilspannung am Temperaturfühler (R NTC ) ist in der intakten Anlage immer größer als 0 V und immer kleiner als 5,0 V. Bei Raumtemperatur hat Temperaturfühler etwa den 10fachen Wert, verglichen mit +100 C. Andererseits beträgt er bei Raumtemperatur etwa 1/10 des Ohmwertes, verglichen mit 30 C. Beispiel: R -20 C = , R +20 C = 2200, R +100 C = 220.
3 Prüfgröße Widerstandswert Einführung Der Ohmwert eines NTC-Widerstandes ändert sich innerhalb des Temperaturbereichs zwischen -20 C und C etwa im Verhältnis 100 : 1. Dieser Temperaturbereich kann mit Hilfe von Kältespray und Heißluft durchlaufen werden. So lässt sich der NTC-Widerstand über seinen ganzen Betriebsbereich kontrollieren. Die Prüfung wird vom abgezogen Steuergerätstecker (STG-Stecker) aus im Ohm-Messbereich eines Multimeters durchgeführt. So werden auch die Verbindungs-leitungen zwischen Sensor und STG-Stecker mit überprüft. Der Prüfbereich muss spannungsfrei sein. Deshalb unbedingt die folgende Reihenfolge der Prüfschritte einhalten. Prüfschritte 1. Zündung ausschalten. 2. Steuergerätstecker abziehen. 3. Temperaturfühler ausbauen und wieder auf den Kabelbaumstecker aufstecken. 4. Ohmmesser zwischen die entsprechenden Pins am Kabelbaumstecker (Steuergerätseite) anschließen. 5. Temperaturfühler mit Kältespray besprühen (falls erforderlich bis 30 s), Ohmwert (R kalt ) messen und notieren. 6. Temperaturfühler mit Heißluft erwärmen, Ohmwert (R warm ) messen und notieren. 7. Istwerte mit den unten stehenden Sollwerten vergleichen (vergleiche auch die Prüfhinweise). 8. Der Kabelbaum darf erst dann wieder mit dem Steuergerät verbunden werden, wenn die Istwerte den Sollwerten entsprechen (Zündung muss immer noch ausgeschaltet sein). Prüfschaltung für die Widerstandsmessung P Multimeter X2 Kabelbaumstecker, Sensorseite Die Anschlussnummern sind frei gewählt und von System zu System verschieden. Sollwerte Der Kaltwiderstand (R kalt ) muss mindestens 80 mal größer sein als der Warmwiderstand (R warm ). Die Widerstandsänderung während der Messung muss kontinuierlich verlaufen. Auffallende Messwertsprünge bedeuten, dass der NTC-Widerstand defekt ist.
4 4 Prüfhinweise Durch Korrosion oder Feuchtigkeit wird die Widerstandsmessung verfälscht. Deshalb müssen zur Kontrolle der Widerstandsmessung die Messgeräteanschlüsse am Steuergerätestecker vertauschten werden. Dann ist die Messung zu wiederholen. Es müssen sich bei dieser Wiederholmessung die gleichen Ohmwerte ergeben wie bei der ersten Messung. Falls dies nicht der Fall ist, Korrosion bzw. Feuchtigkeit entfernen, danach die Messungen nochmals durchführen. Wenn die Istwerte nicht den Sollwerten entsprechen, sind die Verbindungsleitungen zwischen dem Kabelbaumstecker sensorseitig und dem Kabelbaumstecker steuergerätseitig zu überprüfen und gegebenenfalls instand zu setzen. Danach die Prüfungen wiederholen. Wenn die Verbindungsleitungen in Ordnung sind, die Istwerte aber trotzdem nicht den Sollwerten entsprechen, muss man den Temperaturfühler ersetzen. Darstellung der Messung mit einem Multimeter P Multimeter X2 Kabelbaumstecker, Sensorseite Die Anschlussnummern sind frei gewählt und von System zu System verschieden.
5 Prüfgröße Spannungswert Einführung Die Spannung, die der NTC-Widerstand dem Steuergerät meldet, wird mit dem Multimeter kontrolliert, wenn mit einem Werkstatttester eine Istwertabfrage über den Fahrzeugdiagnosestecker nicht möglich ist, oder die Istwertabfrage mit dem Werkstatttester nicht die erwartete Meldung liefert. Die Sensoren sind in der Regel bei eingeschalteter Zündung abfragbar. Beispiel 1, Prüfung mit Hilfe einer Pinbox möglich Prüfschritte 1. Zündung ausschalten. 2. Temperaturfühler ausbauen und wieder auf den Kabelbaumstecker aufstecken. 3. Pinbox an Kabelbaum und an Steuergerät anschließen, Zündung einschalten. 4. Multimetermessbereich 20 V / Gleichspannung einstellen. Messleitungen an die entsprechenden Pins an der Pinbox anschließen. 5. Temperaturfühler mit Kältespray besprühen (falls erforderlich bis 30 s), Spannungswert (U kalt ) messen und notieren. 6. Temperaturfühler mit Heißluft erwärmen, Spannungswert (U warm ) messen und notieren. 7. Istwerte mit den unten stehenden Sollwerten vergleichen, (vergleiche auch die Prüfhinweise). 8. Die Pinbox darf erst wieder entfernt werden, wenn die Istwerte den Sollwerten entsprechen. Vor dem Entfernen der Prüfbox Zündung ausschalten. Prüfschaltung für die Messung der Spannung U NTC an der Pinbox P Multimeter Die Anschlussnummern sind frei gewählt und von System zu System verschieden. Sollwerte Die Spannung U kalt muss mindestens 3 Volt größer sein als die Spannung U warm. Während der Messung muss die Spannungsänderung kontinuierlich verlaufen. Auffallende Messwertsprünge bedeuten, dass der NTC-Widerstand defekt ist.
6 6 Prüfhinweise Durch Korrosion oder Feuchtigkeit kann ein falscher Spannungswert entstehen. Wenn die Istwerte nicht den Sollwerten entsprechen, sind die Verbindungsleitungen zwischen dem Kabelbaumstecker sensorseitig und dem Kabelbaumstecker steuergeräteseitig zu überprüfen und gegebenenfalls instand zu setzen. Falls erforderlich Korrosion oder Feuchtigkeit entfernen. Danach die komplette Prüfung wiederholen. Wenn die Verbindungsleitungen und die Kontakte in Ordnung sind, die Istwerte aber nicht den Sollwerten entsprechen, muss der Temperaturfühler ersetzt werden. Beispiel 2, Spannungsmessung direkt am Temperaturfühler Prüfschritte 1. Zündung ausschalten. 2. Temperaturfühler ausbauen und wieder auf den Kabelbaumstecker aufstecken. Zündung einschalten. 3. Multimetermessbereich 20 V / Gleichspannung einstellen. Messleitungen an die entsprechenden Pins am Temperaturfühler anschließen. 4. Temperaturfühler mit Kältespray besprühen (falls erforderlich bis 30 s), Spannungswert (U kalt ) messen und notieren. 6. Temperaturfühler mit Heißluft erwärmen, Spannungswert (U warm ) messen und notieren. 7. Istwerte mit den Sollwerten vergleichen. Prüfschaltung für die Messung der Spannung U NTC am NTC-Widerstand P Multimeter X2 Kabelbaumstecker, Temperaturfühlerseite Die Anschlussnummern sind frei gewählt und von System zu System verschieden. Sollwerte Die Spannung U kalt muss mindestens 3 Volt größer sein als die Spannung U warm. Während der Messung muss die Spannungsänderung kontinuierlich verlaufen. Auffallende Messwertsprünge bedeuten, dass der NTC-Widerstand defekt ist.
7 7 Prüfhinweise Durch Korrosion oder Feuchtigkeit kann ein falscher Spannungswert entstehen. Wenn die Istwerte nicht den Sollwerten entsprechen, sind die Verbindungsleitungen zwischen dem Kabelbaumstecker sensorseitig und dem Kabelbaumstecker steuergeräteseitig zu überprüfen und gegebenenfalls instand zu setzen. Falls erforderlich Korrosion oder Feuchtigkeit entfernen. Danach die komplette Prüfung wiederholen. Wenn die Verbindungsleitungen und die Kontakte in Ordnung sind, die Istwerte aber nicht den Sollwerten entsprechen, muss der Temperaturfühler ersetzt werden Fehlererkennung durch das Steuergerät Erkennbare Falschwerte Ein Steuergerät kann eingehende Spannungswerte als falsch erkennen, wenn die im Steuergerät ankommende Spannungshöhe in einer intakten Anlage nicht vorkommt. Im Falle einer Temperaturmessung sind dies die Spannungswerte 0 Volt und 5 Volt. Diese Falschwerte können bei Unterbrechung oder Kurzschluss im Mess-Stromkreis auftreten. Nicht erkennbare Falschwerte Im Fehlerfall kann jedoch im Steuergerät auch ein Spannungswert eingehen, der zwar falsch ist, aber deutlich über 0 Volt und deutlich unter 5 Volt liegt. Das Steuergerät kann deshalb diesen gemeldeten Spannungswert nicht als Falschwert erkennen. Ursachenbeispiele für nicht erkennbare Falschwerte Ursache für solche Falschwerte können sein Korrosion und/oder Feuchtigkeit im Mess-Stromkreis ein defekter Sensor. Defektes Steuergerät Am schwierigsten wird es den Fehler zu lokalisieren, wenn das Steuergerät falsch arbeitet. Es besitzt zwar einen Selbst-Check, aber wenn Korrosion bzw. Feuchtigkeit oder Bauteildefekte im Steuergerät auftreten, dann muss ein Steuergerätaustausch (auf Verdacht) vorgenommen werden.
8 8 Diagnose in elektronischen Kfz-Systemen 3.3 NTC-Widerstand als Sensor Pulsweitenmodulierte Information Einführung Herkömmlicherweise ist die Spannung, die der NTC-Widerstand dem Steuergerät meldet, ein Maß für die gemessene Temperatur. Durch Korrosion oder Feuchtigkeit im Mess-Stromkreis entsteht ein anderer Stromkreiswiderstand und es entstehen somit andere Spannungsaufteilungen. Dies hat zur Folge hat, dass dem Steuergerät eine Spannung gemeldet wird, die nicht zur vorhandenen Temperatur passt. Somit geht das Steuergerät von einer falschen Temperatur aus, und die Steuerung bzw. die Regelung arbeitet falsch. Die Fehlerquote geht enorm zurück, wenn sich im Sensor eine Elektronik befindet, die aus der gemessenen Sensorspannung ein pulsweitenmoduliertes Signal macht. Pulsweitenmodulierung Pulsweitenmodulierung bedeutet, eine Elektronik wandelt eine Gleichspannung, deren Höhe von irgend einem Zustand (z. B. von einer Temperatur) abhängig ist, in eine Rechteckspannung um, deren Tastverhältnis sich analog zur Höhe der Gleichspannung ändert. Sensor mit pulsweitenmodulierter Ausgangsspannung und Steuergerät A Steuergerät B voll gekapselter Sensor R i Festwiderstand im Messkreis R NTC Temperaturwiderstand im Sensor U 1 temperaturabhängige Teilspannung am Temperaturwiderstand R NTC U 2 pulsweitenmodulierte Sensorausgangsspannung W1 Plusversorgung des Sensors B W2 Informationsleitung zwischen A und B W3 Minusversorgung des Sensors B X1, X2, X3 Steckkontakte im Kabelbaumstecker, Steuergerätseite X4, X5, X6 Steckkontakte im Kabelbaumstecker, Sensorseite
9 9 Beispiel für die Zuordnung von Temperatur, Sensorspannung und pulsweitenmoduliertem Signal T - 20 C U 1 4,8 V U C 3,5 V + 60 C 2,2 V C 0,9 V Hinweise Der Temperatursensor B ist voll gekapselt. Dadurch kann sich im Sensor praktisch keine Korrosion bilden. Korrosion und Feuchtigkeit können jedoch auch bei dieser technischen Lösung an den Anschlussstellen X1 bis X6 auftreten. Das Steuergerät kann das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals jedoch richtig erkennen, solange die Spannungshöhe des 1-Signals den geforderten Mindestwert erreicht. Die Standzeit, während der dies der Fall ist, entspricht praktisch der Gesamtlebensdauer des Fahrzeugs. Im Fehlerfall vermisst das Steuergerät das pulsweitenmodulierte Signal. Diesen Fehler kann das Steuergerät eindeutig erkennen. Werte, die in der intakten Anlage auftreten aber falsch sind, entstehen nur, wenn der Sensor mechanisch defekt ist.
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