CC BY
15
К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИЙ
УДК 621.317.3
МЕТОД ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДАТЧИКА
УРОВНЯ ТОПЛИВА
О.С. ВЕРШИНИН, В.В. ШАРОВ
Казанский государственный энергетический университет
В данной работе рассмотрены вопросы, связанные с оценкой метрологических характеристик резистивных датчиков уровня топлива с учетом их конструктивных особенностей. Проанализированы вопросы точности и достоверности показаний датчиков, представлены результаты сравнения опытных данных с математической моделью работы датчиков.
При эксплуатации автомобиля основную часть расходов составляют затраты на ГСМ. В связи с этим информация о режиме расходования топлива и объемах заправок является весьма ценной и востребованной на практике. При этом приборы для измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах.
Целью исследования является определение погрешности датчиков уровня топлива, разработка математической модели работы датчика и оценка достоверности их показаний при контроле уровня топлива.
Для всех российских и большинства зарубежных грузовых автомобилей единственным методом контроля уровня топлива без внесения конструктивных изменений в электрооборудование автомобиля является метод, в котором в качестве первичного преобразователя используется поплавковый датчик уровня топлива, предусмотренный конструкцией автомобиля. Принцип действия большинства подобных датчиков заключается в изменении сопротивления под воздействием рычага с поплавком, который меняет свое местоположение в зависимости от уровня топлива. В качестве первичного преобразователя, изменяющего свое сопротивление под действием измеряемой величины, используется реостатный преобразователь.
Входной величиной реостатного преобразователя является линейное или угловое перемещение движка, а выходной - изменение его сопротивления. Преимуществом использования реостатных датчиков является возможность получения на практике достаточно большого выходного сигнала. Наличие механических связей и значительных присоединенных масс в кинематических цепях датчиков создает большую инерционность и снижает рабочий диапазон частот до 2...10 Гц. Другим важным фактором является необходимость обеспечения устойчивого контакта между движком и обмоткой реостатного преобразователя. При больших скоростях перемещения движка возможна потеря контакта с обмоткой. Наличие механических вибраций при движении автомобиля увеличивает вероятность нарушения контакта при работе датчика.
Важное значение в работе резистивных преобразователей имеют такие факторы, как устойчивый контакт между токосъемным элементом движка и обмоткой, малое переходное сопротивление контакта и его стабильность. Качество контакта определяется главным образом применяемыми материалами. При изготовлении щеток из неблагородных металлов возникает нестабильность
© О.С. Вершинин, В.В. Шаров
Проблемы энергетики, 2008, № 3-4
переходного сопротивления, которая вызывается перепадами температуры и образованием оксидных пленок на поверхности контактов [2, 5].
В зависимости от конструктивных особенностей реостатные преобразователи делятся на две группы. К первой группе относятся проволочные реостаты, которые изготовляют методом намотки металлической проволоки на каркас, выполненный из диэлектрических материалов. Реостаты, относящиеся ко второй группе, изготавливаются методом напыления высокоомного металла на диэлектрик. Такие преобразователи получили название металлопленочные преобразователи [3,6].
Входной величиной реостатного преобразователя является линейное или угловое перемещение движка х, а выходной - изменение его сопротивления Я. Функция преобразования реостатного преобразователя, применяемого в датчиках уровня топлива, практически линейна. Ввиду того, что сопротивление реостатного преобразователя изменяется при перемещении контакта ползунка с одного витка обмотки на другой, функция имеет дискретный вид. В общем случае функция преобразования описывается формулой
Я = / ( х ).
Функция преобразования связана с различными характеристиками реостата и датчика в целом. Для рассмотрения специфики этих связей, применяемых в датчиках подобного типа, рассмотрим основные характеристики реостата, показанного на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция реостата в виде каркаса с обмоткой и токосъемным контактом: к - высота каркаса; Ь - толщина каркаса; I - длина каркаса; 1 - контакт начала обмотки; 2 - контакт конца обмотки; 3 - токосъемный контакт; Я ^ - сопротивление реостата, когда ползунок находится
в начале обмотки; Ятах - сопротивление реостата, когда ползунок находится в конце обмотки
В процессе перемещения движка с одного витка на другой сопротивление реостата изменяется на величину, определяемую соотношением
АЯ = Р11пр = 2 Р 1( Ь + к), (1)
где р 1 - сопротивление единицы длины провода; Iпр - длина одного витка
провода; к - высота каркаса; Ь - его толщина.
На практике использовать формулу (1) для расчета АЯ преобразователей, имеющих небольшие габаритные размеры каркаса, нецелесообразно, т.к. у них в
© Проблемы энергетики, 2008, № 3-4
117
большинстве случаев отсутствуют четко выраженные границы b и h. Для случая, когда dR/dx = const, справедлива формула
AR = ( Rmax - R G)/n ,
где n — общее количество витков обмотки реостата.
Расстояние между витками реостата вычисляется по формуле
Ax = l/n . (2)
В формуле (2) расстояние между витками реостата определяется как минимальное перемещение ползунка реостата, при котором сопротивление изменится на AR [1,4].
Измеряемая величина, вызывающая линейное или угловое перемещение, может воздействовать на ползунок реостата через какое либо силовое устройство, например рычаг. В этом случае уравнение связи перемещения записывается в виде
ЛИ Ax =------,
к м
где км - масштабный коэффициент, определяющий степень влияния входного линейного или углового перемещения на перемещение ползунка реостата.
Определение погрешностей реостатного преобразователя. Для реостатного преобразователя характерны две основные погрешности. Первая погрешность определяется зависимостью сопротивления реостата от температуры. Это обусловлено температурным изменением удельного сопротивления провода, которое определяется формулой
Rп = Rt o(1 + аткс t),
где Rt g - сопротивление проволоки при G °С; аткс - температурный коэффициент сопротивления; t - температура проволоки в °С.
Вторая погрешность обусловлена дискретностью реостатного преобразователя. Значение приведенной погрешности у r , связанное с дискретностью, определяется соотношением
AR
Y R =±----------.
2 Ятах
Методика проведения эксперимента. Практическая оценка достоверности метода контроля уровня топлива и его погрешности рассмотрена на примере штатного резистивного датчика топлива БМ128-А для автомобиля КамАЗ.
На первом этапе эксперимента был проведен теоретический расчет функции преобразования, удовлетворяющей условию линейной зависимости сопротивления датчика от положения поплавка с учетом его конструктивных особенностей. При максимальном угле перемещения рычага атах = 90° рабочий диапазон перемещения поплавка в вертикальной оси #тах равен 487 мм. Функция преобразования датчика определяется выражением
Ядат ~ / ( а ),
Для определения зависимости угла а от текущего положения рычага датчика Н разработана математическая модель и получена функция преобразования датчика, значения которой представлены в табл. 1.
Таблица 1
Значения функции преобразования, полученные расчетным путем
Н, мм Я, ом Н, мм Я, ом Н, мм Я, ом Н, мм Я, ом Н, мм Я, ом
0 0,0 100 16,9 200 35,5 300 55,0 400 72,7
10 1,7 110 18,6 210 37,6 310 56,7 410 74,6
20 3,3 120 20,4 220 39,8 320 58,4 420 76,6
30 5,0 130 22,2 230 42,0 330 60,2 430 78,5
40 6,7 140 24,0 240 44,2 340 61,9 440 80,5
50 8,4 150 25,9 250 46,7 350 63,6 450 82,6
60 10,0 160 27,7 260 48,3 360 65,4 460 84,8
70 11,7 170 29,6 270 50,0 370 67,2 470 87,0
80 13,4 180 31,6 280 51,7 380 69,0 480 89,2
90 15,2 190 33,5 290 53,4 390 70,9 490 91,7
На втором этапе, используя полученные данные, осуществлена аппроксимация и вычислены коэффициенты линейного уравнения, наиболее близко описывающие рассчитанные значения. В итоге получено уравнение, описывающее рассчитанные значения на уровне доверительной вероятности, равной 0,999:
Я = 0,183 х Н -1,018. (3)
На третьем этапе эксперимента были проведены опыты, в процессе которых производились измерения сопротивления датчика при различных положениях рычага. Шаг перемещения рычага, через который производились измерения, составлял 5 мм при температуре окружающей среды 21 С. Эксперимент осуществлялся с датчиками типа БМ128-А с партией в количестве 10 штук. Результаты эксперимента представлены в табл. 2.
Таблица 2
Значения функции преобразования датчика №1, полученные опытным путем
Н, мм Я, ом Н, мм Я, ом Н, мм Я, ом Н, мм Я, ом Н, мм Я, ом
0 3,5 100 23,7 200 43,9 300 58,5 400 77
10 4,5 110 25,7 210 46 310 59 410 80
20 9,3 120 27,7 220 46 320 62,7 420 82,7
30 10,5 130 29,3 230 48 330 63 430 85,5
40 11 140 31,4 240 49,3 340 65,6 440 88
50 16,5 150 34,6 250 50,6 350 68 450 90
60 19 160 35,5 260 52,8 360 71,2 460 94
70 20 170 95 270 53,7 370 74,5 470 94,8
80 20 180 37,8 280 54,5 380 76 480 97
90 22 190 41,7 290 56,9 390 76,5 490 98
Результаты одного из экспериментов были аппроксимированы, и в итоге получено уравнение (4), описывающее полученные опытным путем значения
сопротивления с различной степенью точности. С уровнем доверительной вероятности 0,908 уравнение имеет вид
Я = 0,181 х Н- 7,132.
(4)
Абсолютная инструментальная погрешность, связанная с технологическим разбросом параметров датчиков при их производстве, рассчитывается по формуле
У Я1 = Яи — Яид,
где Яи - измеренное сопротивления; Яид - сопротивление идеального датчика. График погрешности для двух датчиков показан на рис. 2.
Рис. 2. Абсолютная инструментальная погрешность
Проведя усреднение результатов вычисления погрешности для 10-ти датчиков марки БМ-128, получены результаты, которые представлены в табл. 3.
Таблица 3
Средняя погрешность датчика измерения уровня топлива марки БМ-128
№ датчика 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Средняя погрешность У Я1, Ом 6,3 5,91 4,92 5,65 4,59 5,31 6,12 5,24 6,67 4,89
Средняя погрешность в выборке из 10-ти датчиков составила 5,56 Ом. Относительная погрешность составила приблизительно 6,17%. Дискретность рассматриваемого датчика, при условии равномерной намотки витков проволоки на каркасе реостата, составляет ДЯ = 1,5 Ом. Исходя из этого минимальное
перемещение поплавка ДНтщ, необходимое для изменения сопротивления
реостата на 1,5 Ом, равно 8,28 мм.
В результате анализа данных, полученных опытным путем, было установлено следующее. Во-первых, датчики имеют существенный разброс технологических параметров, в среднем составляющей ±6%. В начале и конце реостата погрешность выше, так как в этих частях витки проволоки располагаются более плотно и относительно небольшие перемещения ползунка вызывают изменение сопротивления. Во-вторых, в процессе работы возможно существенное повышение сопротивления при определенном положении рычага датчика, связанное с отсутствием надежного электрического контакта витков реостата и токосъемного ползунка, что связано с наличием на витках обмотки реостата или токосъемном ползунке загрязнения или окисных пленок. В-третьих, в связи с наличием в датчике упругих элементов (пластина, прижимающая
ползунок к обмотке), зазоров в местах крепления подвижных частей (ось рычага) сопротивление датчика при одном и том же положении рычага может иметь разное значение. Разброс значений сопротивлений составляет приблизительно ±2%. В-четвертых, при замыкании витков обмотки реостата между собой сопротивление датчика не изменяется, в то время как рычаг датчика перемещается на определенное расстояние. Данное явление связано с наличием в датчике упругих элементов или межвиткового замыкания.
Summary
In the given work the questions connected to an estimation of metrological characteristics of resistive gauges of a level of fuel, stipulated are considered by a design of the automobile, in view of their design features. Questions of accuracy and reliability of indications of gauges are analysed also, results of comparison of the expirience data with model of work of gauges are submitted.
Литература
1. Мирский Г.Я. Электронные измерения. - М.: Радио и связь, 1986. - 440
с.: ил.
2. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Осадчего Е.П. - М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.
3. Белевцев А.Т. Потенциометры. - М.: Машиностроение, 1969. - 328 с.
4. Евтихиев Н.Н., Купершмидт Я.А. и др. Измерения электрических и неэлектрических величин. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.
5. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. -М.: Мир, 1990. - 535 с.
6. Роговцев В.П., Пузанков А.Г. и др. Устройство и эксплуатация транспортных средств. - М.: Транспорт, 1989. - 432 с.
Поступила 20.03.2007
