Pomiar temperatury jest jedną z wielu metod diagnostycznych wykorzystywanych w warsztatach samochodowych. Tradycyjnie wykonuje się go przy pomocy termometrów, najczęściej elektronicznych, czasami współpracujących z rejestratorami danych.

W zależności od modelu auta można pobierać dane o temperaturze niektórych podzespołów przez interfejs OBD2. Od pewnego czasu w zasięgu mechaników pojawiła się nowoczesna technologia – termowizja. Oba sposoby mają wady, zalety i ograniczenia. Doskonale się jednak uzupełniają, ułatwiając poszukiwanie usterek, skracając czas naprawy i pozwalając na wykrycie anomalii, zanim doprowadzą one do powstania poważnej usterki.

Ciepło i temperatura

Aby poprawnie interpretować wyniki pomiarów temperatury, trzeba dobrze zrozumieć różnicę między temperaturą a ciepłem oraz związek między ciepłem a pracą mechaniczną, energią chemiczną i pracą prądu elektrycznego.
Ciepło jest jednym ze sposobów przekazywania energii pomiędzy układami termodynamicznymi. Ciepło powstaje w wyniku spalania paliwa, tarcia (wykonania pracy mechanicznej), przepływu prądu elektrycznego. Dostarczanie ciepła do obiektu (części samochodu) albo cieczy lub gazu powoduje wzrost temperatury.
Aby określić ilość przekazanego ciepła, nie wystarczy wiedzieć, o ile stopni wzrosła temperatura. Trzeba uwzględnić masę ogrzewanego obiektu i właściwości materiału albo materiałów, z których został on wykonany. Im większa masa, tym więcej ciepła trzeba dostarczyć, żeby spowodować wzrost temperatury o jeden stopień.
Oznacza to, że stosunkowo niewielkie tarcie może spowodować silny wzrost temperatury lekkiej części. Jeśli silnie i szybko rozgrzewa się masywny podzespół (ciężkie łożysko, oś itp.), wówczas możemy mieć pewność, że gdzieś została wykonana duża praca, to znaczy, że zadziałała siła (na przykład tarcia) o znacznej wartości. Elementy lekkie szybciej zmieniają temperaturę (rozgrzewają się, stygną), a masywne mają większą bezwładność cieplną, czyli trudniej je rozgrzać i ochłodzić.

Źródła ciepła

W samochodzie osobowym ciepło powstaje na wiele sposobów.

• Silnik – to bez wątpienia największe, najbardziej wydajne źródło ciepła, wyposażone we własny, często wyrafinowany system chłodzenia, który sam w sobie jest podatny na uszkodzenia.
• Układ hamulcowy – zaprojektowany specjalnie po to, żeby zamieniać energię mechaniczną na ciepło i rozpraszać je w otoczeniu.
• Układ wydechowy – ze szczególnym uwzględnieniem katalizatorów i filtrów cząstek stałych. W tym przypadku wysoka temperatura pracy z jednej strony jest konieczna, a z drugiej szkodliwa. Katalizatory osiągają pełną sprawność po rozgrzaniu do kilkuset stopni, procedura wypalania sadzy w filtrach DPF także przebiega w bardzo wysokiej temperaturze. Ciepło przyspiesza korozję blachy, starzenie gumowych elementów mocujących i uszczelnień, a w skrajnym przypadku może wywołać pożar (rozgrzany może zapalić trawę pod samochodem zaparkowanym na poboczu).
• Współpracujące ze sobą powierzchnie ruchomych części: wałów, łożysk, panewek, popychaczy itp. Smarowane współpracują z minimalnym tarciem, a pozbawione smarowania lub odkształcone trą o siebie, wytwarzając duże ilości ciepła.
• Klimatyzacja oraz ogrzewanie, w tym ogrzewanie postojowe, podgrzewanie foteli, lusterek, szyb.
• Instalacja elektryczna, zwłaszcza: rozrusznik, alternator, elementy wykonawcze układu ABS/ESP, silniki krokowe, siłowniki, serwomechanizmy. Nadmiar ciepła muszą odprowadzać także kontrolery (ECU oraz inne), wzmacniacze akustyczne, odbiorniki radiowe i inny sprzęt audio-wideo.
• Silnik elektryczny, układ rekuperacji energii, układ ładowania oraz akumulatory trakcyjne – te elementy należy dopisać do listy w przypadku samochodów z napędem elektrycznym i hybrydowym.

Skutki przegrzania

Większość podzespołów samochodowych toleruje krótkotrwały wzrost temperatury powyżej wartości przewidzianych przez konstruktorów. Dłuższe, trwające wiele minut przegrzanie zazwyczaj skutkuje natychmiastowym uszkodzeniem części albo skraca ich żywotność.

Do przekroczenia dopuszczalnej temperatury pracy zazwyczaj dochodzi z powodu:

• wytwarzania zbyt dużej ilości ciepła przez uszkodzoną część,
• utrudnionego odprowadzania ciepła wytwarzanego w normalnych ilościach,
• pojawienia się w pobliżu wrażliwego elementu dodatkowego, niepożądanego źródła ciepła.

Najczęściej obserwowanymi skutkami przegrzania są:

• stopienie lub spalenie elementów wykonanych z tworzyw sztucznych (izolacja przewodów, rurki, osłony przewodów, uszczelki),
• spalenie, stopienie elementów ciernych hamulców i sprzęgła,
• odkształcenie i utrata wytrzymałości mechanicznej elementów metalowych w wyniku uplastycznienia, nadtopienia, rozhartowania,
• wyciek cieczy pod wysokim ciśnieniem (ciecz chłodząca, płyn hamulcowy, płyn z układu wspomagania),
• zatarcie lub zgrzanie współpracujących elementów.

Jeśli badaniem termowizyjnym albo przez kontaktowy pomiar uda się stwierdzić znaczne przekroczenie temperatury elementów ruchomych (wałków, łożysk, panewek), należy szczególnie starannie ocenić ich stan. Jeśli jest to wykonalne, lepiej wymienić sprawne na pierwszy rzut oka części, niż ryzykować wystąpienie opóźnionej w czasie awarii w niesprzyjających okolicznościach (jazda w trudnym terenie, w ciężkich warunkach atmosferycznych itp.).

 

Rozpraszanie ciepła

Nadmiar ciepła wytworzonego w silniku i innych układach samochodu jest odprowadzany na zewnątrz pojazdu – do otoczenia. Proces ten może się odbywać biernie albo aktywnie – w sposób wymuszony.
Biernie rozprasza się względnie niewielkie ilości ciepła wytwarzane przez podzespoły elektroniczne, silniczki elektryczne, regulatory. Odbywa się to za pomocą radiatorów, elementów wykonanych z metalu dobrze przewodzącego ciepło, zazwyczaj aluminium, stali, rzadziej miedzi. Aby zwiększyć powierzchnię kontaktu radiatora z opływającym go powietrzem, elementy te wykonuje się jako żeberkowane.
Ciepło łatwiej odprowadzić przy dużej różnicy temperatur chłodzonego elementu i chłodziwa (cieczy lub powietrza). Chłodzeniu sprzyja duża prędkość opływu źródła ciepła przez czynnik chłodzący. Z tego powodu do przegrzania uszkodzonych albo silnie zabrudzonych elementów dochodzi najczęściej w lecie, przy wysokiej temperaturze powietrza oraz podczas pracy silnika na postoju albo w czasie wolnej jazdy (w korku).
Usuwanie ciepła poza nagrzewający się element jest utrudnione, jeśli powierzchnia radiatora jest zabrudzona kurzem lub błotem, a tunele i przestrzenie, którymi powinno przepływać chłodne powietrze, są zatkane, zaślepione lub odkształcone.

Czujniki temperatury

Do pomiaru temperatury wykorzystuje się elementy elektroniczne o różnej konstrukcji. Zmianom temperatury elementu towarzyszy zmiana jego właściwości fizycznych, najczęściej oporu elektrycznego. Najczęściej w roli czujników temperatury spotyka się półprzewodnikowe termistory, platynowe czujniki rezystancyjne PT100 oraz termopary różnych typów. W zależności od materiałów wykorzystanych do produkcji opór może rosnąć (dodatni współczynnik temperaturowy, PTC) albo maleć (ujemny współczynnik temperaturowy, NTC).

Przetworniki temperatury różnią się zakresem pomiarowym, czułością oraz odpornością na wpływ środowiska. W przypadku termopar zakresy temperatur wyglądają następująco:
termopara typu J – Fe-CuNi:

• zakres temperatury od –40 do +750°C,
  termopara typu K – NiCr-Ni:
• zakres temperatury od –200 do +1200°C,
  termopara typu N – NiCrSi-NiSi:
• zakres temperatury do +1200°C (1350°C),
  termopara typu T – Cu-CuNi:
• zakres temperatury od –200 do +350°C,
  termopara typu S – PtRh10-Pt:
• zakres temperatury do 1600°C,
  termopara typu R – PtRh13-Pt:
• zakres temperatury do 1600°C,
  termopara typu B – PtRh30-PtRh6:
• zakres temperatury do 1800°C,
  termopara typu C – W5%Re–W26%Re: zakres temperatury do 2200°C,
  termopara typu D – W3%Re–W25%Re: zakres temperatury do 2200°C.

Termoelementy mogą współpracować z różnymi przyrządami pomiarowymi. Wiele mierników uniwersalnych (multimetrów) umożliwia mierzenie temperatury po podłączeniu termopary lub czujnika PT100 zamiast przewodów pomiarowych.

Rejestracja zmian temperatury

Termowizja, mimo że jest najnowocześniejszą metodą kontroli temperatury, nie rozwiązuje wszystkich problemów. Doskonale spisuje się, gdy trzeba ocenić temperaturę części i porównać ją z temperaturą otoczenia. Nieco problemów może sprawiać kontrola zmian temperatury podczas pracy silnika, ale można sobie z tym poradzić, rejestrując obraz wideo. O ile na hamowni taki pomiar wykonuje się bez większych trudności, o tyle podczas jazdy korzystanie z kamery termowizyjnej byłoby zbyt kłopotliwe.
W takiej sytuacji niezastąpione są rejestratory temperatury współpracujące z czujnikami kontaktowymi, najczęściej z termoparami. Czujniki mają niewielkie rozmiary i można je zamontować niemal w każdym zakątku przedziału silnika, układu wydechowego, hamulcowego czy zawieszenia. Do zapisywania wyników pomiarów służą rejestratory cyfrowe. Najprostsze urządzenia zapisują wyniki pomiaru z jednego czujnika, rozbudowane obsługują kilka, czasami kilkanaście kanałów.
Wyniki są zapisywane w pamięci zewnętrznej albo wymiennej (zazwyczaj na karcie SD). Każdy pomiar może zawierać identyfikator kanału, umożliwiający skojarzenie go z konkretnym czujnikiem, znacznik czasu, dzięki któremu pomiary można ułożyć w kolejności chronologicznej, oraz wartość temperatury. Wyniki są dostępne w jednym z popularnych formatów wymiany danych: w pliku tekstowym, CSV lub podobnym.
Do oceny i interpretacji wyników może służyć oprogramowanie dostarczone przez producenta rejestratora albo jeden z popularnych programów do rysowania wykresów. Dane można także obrabiać w arkuszu kalkulacyjnym.

Termowizja

Termowizja to stosunkowo nowa metoda pomiaru temperatury, która powstała przed laty na potrzeby badań naukowych oraz wojska. Pierwsze przenośne kamery termowizyjne umożliwiały lokalizację osób i pojazdów w całkowitej ciemności. Obecnie termowizji używa się w wielu dziedzinach techniki: od techniki medycznej, przez budownictwo (do oceny utraty ciepła z budynków), energetykę (do poszukiwania zwarć i upływów prądu), po automatykę przemysłową i przemysł motoryzacyjny (do poszukiwania miejsc rozgrzewających się pod wpływem tarcia, zwarć obwodów elektrycznych itp.).
Kamera termowizyjna reaguje na promieniowanie podczerwone. Ma ono tę samą naturę, co światło widzialne, różni się jedynie długością fali, która jest większa niż dla czerwonego światła widzialnego. Obraz w podczerwieni jest rzutowany na powierzchnię przetwornika optoelektronicznego, którego zasada działania jest zbliżona do przetworników montowanych w cyfrowych kamerach i aparatach fotograficznych, a następnie w postaci sygnału cyfrowego trafia do mikroprocesora, który obszarom o różnej temperaturze przypisuje umowne barwy. Zazwyczaj obszary o niższej temperaturze są oznaczane barwą niebieską, a cieplejsze – żółtą i czerwoną.
Dzięki temu można obserwować rozkład temperatury i lokalizować gorące punkty bez potrzeby przykładania termometru w wielu miejscach. Pomiar jest bezkontaktowy, szybki, a kamera termowizyjna może dodatkowo posiadać funkcję dokładnego pomiaru temperatury punktu wskazanego na ekranie dotykowym.
Techniczne kamery termowizyjne są dostępne w wielu wariantach wykonania i wyposażenia, w bardzo zróżnicowanych cenach. Spotyka się samodzielne urządzenia przypominające wyglądem i rozmiarami multimetr albo skopometr oraz nakładki na telefony komórkowe i kamery podłączane do komputera (laptopa, tabletu). Wybierając model dla siebie, warto wziąć pod uwagę odporność na uszkodzenia, masę, wymiary oraz czas pracy na jednym zestawie baterii/akumulatorów. Przyrząd powinien umożliwiać łatwe badanie silnika i jego osprzętu, piast, tarcz hamulcowych, układu wydechowego. Dobrze, jeśli można go zamocować na statywie, a jeszcze lepiej, jeśli umożliwia rejestrację filmu albo przynajmniej serii zdjęć w zadanych odstępach czasu. Dzięki temu można obserwować proces nagrzewania i stygnięcia badanych części.

Diagnozowanie usterek

Pomiar temperatury jest bardzo skutecznym narzędziem diagnostycznym, ale żeby je w pełni wykorzystać, trzeba połączyć wiedzę z doświadczeniem. W pierwszym okresie eksploatacji kamery termowizyjnej albo rejestratora temperatury dobrze jest „mierzyć wszystko, co się da” w samochodach sprawnych oraz tych, w których usterkę zdiagnozowano i potwierdzono inną metodą. Nie wszystkie wartości temperatur są opisane w dokumentacji technicznej pojazdu, a stworzenie własnej bazy danych pozwoli szybko identyfikować odchylenia od normy.

Może to wyglądać tak: wykonujemy zdjęcie termowizyjne zimnego silnika, po kilku – kilkunastu minutach pracy na biegu jałowym wykonujemy kolejne zdjęcie, a następnie wyłączamy silnik i rejestrujemy kilka rozkładów temperatury w 5-minutowych odstępach. Dysponując kolekcją takich zdjęć dla wielu egzemplarzy tego samego modelu, można zlokalizować miejsca, które w podobnych warunkach rozgrzewają się do wyższej temperatury i wolniej stygną. Jeśli uda się powiązać ten fakt z jakąś usterką, następnym razem diagnoza będzie szybsza.

Piotr Kołaczek