Wie funktioniert ein Reifendrucksensor? Direktes und indirektes TPMS verstehen

Ein Fahrer fährt mit 70 Meilen pro Stunde, als auf dem Armaturenbrett ein gelbes Reifendrucksymbol angezeigt wird. Der Reifen ist nicht sichtbar platt und das Fahrzeug fährt sich immer noch normal. Was passiert ist, ist, dass ein im Rad montierter MEMS-Drucksensor festgestellt hat, dass der absolute Druck von 2,2 bar auf etwa 1,9 bar gesunken ist. Dieser Sensor wandelte den physikalischen Druck in eine Spannung um, digitalisierte sie und übermittelte sie mit 433,92 MHz an das Karosseriesteuermodul, das dann die Warnung auslöste. Dieses Szenario wiederholt sich jeden Tag millionenfach auf Straßen weltweit. Zu wissen, wie ein Reifendrucksensor funktioniert, ist nicht nur eine Kleinigkeit der Technik; Es ist die Grundlage für die Auswahl der richtigen Komponente und für die Entwicklung eines zuverlässigen Drucküberwachungssystems für Kraftfahrzeuge.

Was ein Reifendrucksensor tatsächlich misst

Ein Reifendrucksensor misst den absoluten Luftdruck im Reifenhohlraum, typischerweise in einem Bereich von 100 bis 400 kPa (1,0 bis 4,0 bar) und überträgt diesen Messwert drahtlos mit einer Auflösung von etwa 1 kPa an das Steuergerät des Fahrzeugs.

Das Sensorelement ist ein MEMS-Drucksensorchip: ein kleiner Siliziumchip mit einer dünnen, ansprechenden Membran. Wenn der Reifenluftdruck gegen diese Membran drückt, verbiegt sich die Membran um einige Zehntel Mikrometer. Diese mechanische Auslenkung ist das physikalische Ereignis, das schließlich zur Zahl auf Ihrem Armaturenbrett wird. Der Sensor ist als Absolutdruckgerät konstruiert, da er den Reifeninnendruck mit einer versiegelten Vakuumreferenz vergleichen muss. Der Luftdruck ändert sich mit der Höhe und dem Wetter, daher würde eine Referenzmessung bei einer einzigen Fahrt zu Fehlern von bis zu 30 kPa führen.

Wie der MEMS-Chip Druck in Daten umwandelt

Die Umwandlung von mechanischer Ablenkung in digitale Daten erfolgt in einer vierstufigen Kette: Membranverschiebung, Widerstandsänderung über eine Wheatstone-Brücke, analoge Signalaufbereitung und Hochfrequenzübertragung.

• Membranauslenkung: Ein Bar Druck bewegt eine typische Siliziummembran um 0,5 bis 1 Mikrometer.
• Wheatstone-Brücke: Auf der Membran strukturierte piezoresistive Elemente ändern den Widerstand über den gesamten Druckbereich um 1 bis 3 Prozent.
• Signalaufbereitung: Ein ASIC verstärkt die Brückenspannung, wendet eine Temperaturkompensation an und verarbeitet das Ergebnis in digitale 10- bis 12-Bit-Daten.
• HF-Übertragung: Der verarbeitete Frame wird auf einen 433,92-MHz- oder 315-MHz-Träger moduliert und an die Empfängereinheit gesendet.

Die Temperatur ist die größte Variable, die den Druckmesswert verfälscht. Bei einem bei 20 °C kalibrierten Sensor würde der Luftdruck im oben gezeigten Bereich um 50 kPa ansteigen. Ohne Kompensation würde ein nicht kompensiertes Gerät an einem Wintermorgen einen um etwa 20 kPa zu niedrigen Wert melden, was ausreichen würde, um eine falsche Warnung auszulösen.

Einen umfassenderen Einblick in die Technologie hinter diesen Geräten finden Sie in diesem Leitfaden MEMS-Drucksensoren .

Direktes vs. indirektes TPMS: Wie sich die beiden Ansätze unterscheiden

Direktes TPMS verwendet einen physischen Drucksensor in jedem Rad. Das indirekte TPMS nutzt die vorhandenen ABS-Raddrehzahlsensoren des Fahrzeugs, um den Druck abzuschätzen. Nur direktes TPMS liefert einen echten Druckwert.

Die meisten modernen Fahrzeuge verwenden direktes TPMS, da es einen genauen Messwert für jeden Reifen liefert, was für die Erkennung langsamer Undichtigkeiten und die Vermeidung ungleichmäßiger Profilabnutzung von entscheidender Bedeutung ist. Die gleiche MEMS-Drucksensortechnologie kommt auch in vor Drucksensoren in modernen Fahrzeugen über TPMS hinaus, einschließlich Öldrucküberwachung und Bremssystemen.

Vier Spezifikationen, die die Auswahl eines Reifendrucksensors bestimmen

Druckbereich, Genauigkeit, Ausgangssignal und Verpackung sind die vier Parameter, die bestimmen, ob ein Reifendrucksensor im Feld zuverlässig funktioniert.

Bei einem Pkw mit 2,2 bis 2,5 bar liegt die Warnschwelle normalerweise bei 25 Prozent unter dem vom Hersteller empfohlenen Druck. Ein Bereich von 0 bis 4 bar deckt diese Anwendung ab, ohne so weit zu werden, dass die Sensorauflösung beeinträchtigt wird.

Genauigkeit ist die nächste Einschränkung. Ein Versatz von 0,3 bar könnte ein langsames Leck verbergen oder einen Fehlalarm auslösen, weshalb die besten MEMS-Drucksensoren für die Automobilindustrie ±0,2 Prozent des Skalenendwerts erreichen. Bei einem 4-bar-Sensor sind das etwa 8 kPa Fehlertoleranz.

Das Ausgangssignal ist der dritte Entscheidungspunkt. Der analoge Spannungsausgang im Bereich von 0,5 bis 4,5 V ist einfach und weit verbreitet, während digitale Ausgänge wie I2C und SPI die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen im Fahrzeugkabelbaum verringern. Für direkte TPMS auf einer Strecke mit hohen Vibrationen werden zunehmend digitale Signale bevorzugt.

Die Verpackung bestimmt, wie einfach sich der Sensor in das Reifenventil oder die Felge integrieren lässt. DIP- und SIP-Pakete unterstützen die Leiterplattenmontage, während SOP-Pakete üblich sind, wenn der Sensor in der Ventilschaftbaugruppe sitzt. Zudem muss das Gerät Vibrationen um die 50 g bei Frequenzen bis 1 kHz aushalten.

Absolutdrucksensoren MCP-J10, MCP-J11 und MCP-J12 für den Einsatz in der Automobilindustrie Diese kalibrierten Absolutdrucksensoren bieten einen analogen oder digitalen Ausgang, messen bis zu 4 bar und sind über die gesamte Fahrzeugspanne temperaturkompensiert, wodurch sie für Reifendrucküberwachungssysteme geeignet sind. Produkt anzeigen →

MemsTech mit Sitz in der National High-Tech Industrial Development Zone von Wuxi baut Drucksensoren für die Automobilindustrie, die diesen Anforderungen gerecht werden. Bei den Serien MCPJ10, MCPJ11 und MCPJ12 handelt es sich um Absolutdrucksensoren mit einem Messbereich von 0 bis 4 bar, die sowohl als Analog- als auch als Digitalausgangsversion erhältlich sind und deren Kalibrierungsprozess die gesamte Temperaturspanne des Fahrzeugs abdeckt.

Warum die Temperaturkompensation bei einem Reifendrucksensor von entscheidender Bedeutung ist

Die Temperatur im Inneren eines Reifens kann von -40 °C auf einem Winterparkplatz bis zu 80 °C bei Autobahngeschwindigkeit schwanken. Wenn der Sensor nicht kompensiert wird, kann allein diese Drift zu einem Fehler von 15 bis 20 kPa führen, der groß genug ist, um eine falsche Warnung vor niedrigem Druck auszulösen.

Jedes Gerät ist werkseitig an mehreren Temperaturpunkten kalibriert. Die Kompensationskoeffizienten werden während der Produktion im internen ASIC des Sensors gespeichert, sodass die endgültige Ausgabe automatisch korrigiert wird, wenn sich der Reifen erwärmt und abkühlt. MemsTech verfolgt diesen Prozess in seinem 2.000 Quadratmeter großen Werk mit internen Kapazitäten in den Bereichen Verpackung, Schweißen, Temperaturkompensation und Leistungskalibrierung. Jedes Gerät wird vor dem Versand im Null- und Vollausschlag getestet, um die Konsistenz der Chargen sicherzustellen.

Drucksensor der Serie MCP-J20 für Verteileranwendungen im Automobil- und Motorradbereich Diese Serie wurde für die Ansaugkrümmerdruckmessung in Autos und Motorrädern entwickelt und bietet einen analogen Ausgang mit optionalen Bereichen bis zu 1000 kPa. Sie ist auf Genauigkeit kalibriert, ohne dass eine kundenseitige Kalibrierung erforderlich ist. Produkt anzeigen →

Die MCPJ20-Serie erweitert die gleiche absolute Sensorarchitektur auf eine breitere Palette von Automobilanwendungen, einschließlich größerer SUV- und Leicht-Lkw-Plattformen mit höherem Kaltluftdruck.

FAQ

Wie lange hält die Batterie eines Reifendrucksensors?

Direkte TPMS-Sensoren sind versiegelte Einheiten mit einer Batterielebensdauer von 5 bis 10 Jahren. Wenn die Batterie leer ist, muss die gesamte Sensorbaugruppe ausgetauscht werden, da die Batterie in einer versiegelten Ventileinheit nicht gewartet werden kann.

Kann ich einen Reifendrucksensor austauschen, ohne den Ventilschaft zu wechseln?

Bei den meisten direkten TPMS-Systemen ist der Sensor in den Ventilschaft integriert. Einige Aftermarket-Kits ermöglichen den Austausch nur des Sensors, der Austausch der gesamten Baugruppe ist jedoch das Standard-Serviceverfahren und zuverlässiger.

Welchen Reifendruck sollte ein TPMS-Sensor anzeigen?

Für die meisten Pkw beträgt der empfohlene Kaltreifendruck 2,2 bis 2,4 bar (32 bis 35 psi). Der TPMS-Warnschwellenwert liegt normalerweise etwa 25 Prozent unter dieser Empfehlung.

Warum leuchtet meine TPMS-Leuchte bei kaltem Wetter auf?

Kaltluftverträge. Bei einem Abfall der Umgebungstemperatur um 10 °C kann der Reifendruck um 7 bis 10 kPa sinken. Wenn sich der Reifen bereits in der Nähe der Warnschwelle befand, reicht dieser Abfall aus, um die Warnung auszulösen.