CC BY
75
Научные разработки и исследования
Погрешности мониторинга расхода топлива по его уровню в баке транспортного средства
Д.А. Худяков, аспирант политехнического института Сибирского федерального университета,
И.М. Блянкинштейн, доцент политехнического института Сибирского федерального университета, к.т.н.
Приводятся результаты анализа погрешностей измерения расхода топлива системами мониторинга транспорта, обусловленных особенностями размещения датчика уровня топлива в баке транспортного средства. Рассматриваются варианты решения, обеспечивающие независимость контроля расхода топлива от размещения датчика. Выводы справедливы для транспортных средств, использующих как традиционные, так и альтернативные жидкие топлива.
Ключевые слова: система мониторинга расхода топлива, погрешности датчика уровня топлива в баке транспортного средства.
с незначительными уклонами дорожного полотна.
Анализ принципов измерения уровня топлива в баке АТС
В условиях эксплуатации при движении АТС штатные датчики уровня топлива в баке позволяют лишь приблизительно оценивать его количество. Эти показания затруднительно использовать для вычисления расхода топлива АТС на выделенном участке движения.
Наибольшее распространение в силу простоты реализации получили штатные датчики уровня топлива поплавкового типа, основными элементами которых являются поплавок и резистор переменной величины. При изменении вертикального положения поплавка в результате подъема или опускания уровня жидкости изменяется выходное сопротивление датчика, которое формирует пропорциональный выходной аналоговый сигнал, соответствующий уровню жидкости. Такой штатный поплавковый датчик имеет
ЙИИИИР ШШД ЛЪаъ ¡ЯД «Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (34), июль 2013 г.
Анализ точности систем мониторинга расхода топлива, основанных на использовании сигнала штатного автомобильного датчика либо снимающих сигнал об уровне топлива с дополнительного специально монтируемого в штатный бак автотранспортного средства (АТС) датчика, свидетельствует о значительных колебаниях и разбросах этого важного эксплуатационного показателя.
Был проведен мониторинг системой Omnicomm изменения количества топлива в баке при движении автобуса МАЗ-103 в течение 20 мин по маршруту в г. Красноярске. Данные регистрировались и передавались системой на сервер с периодичностью в 30 с (рис. 1). Было отмечено значительное колебание уровня топлива в баке (максимальное отклонение составляет 3,6 л). При этом автобус двигался по городу на участке дороги
Научные разработки и исследования
невысокую точность измерения при движении автомобиля, на его показания оказывает влияние характер движения АТС. В связи с этим показания необходимо фильтровать и усреднять, что также вносит дополнительную погрешность.
Конечная погрешность полученного результата может составлять до 15...20 %, а иногда и более. Поэтому в реальных условиях эксплуатации при движении измерить расхода топлива как изменение объема топлива в баке затруднительно. Измерить объем топлива в баке во время стоянки тоже достаточно проблематично, так как в этом случае на показания датчиков влияет уклон плоскости, на которой располагается транспортное средство.
Для получения более точных данных об изменении количества топлива в баке чаще используются дополнительные датчики уровня топлива. Такие датчики устанавливаются в баке и подключаются к регистратору системы мониторинга транспорта при ее монтаже на автомобиль. Существуют датчики двух типов: емкостные и ультразвуковые. В таких датчиках по сравнению со штатными поплавковыми датчиками отсутствуют движущиеся части, что повышает вероятность стабильной и надежной работы. Принцип действия емкостных датчиков уровня топлива основан на изменении электрической емкости между двумя концентрическими цилиндрами при изменении уровня жидкости, в которую они помещены. Принцип действия ультразвуковых датчиков основан на эффекте отражения ультразвуковой волны от границы раздела двух сред воздух-жидкость. Но, как показывает практика, заявляемая производителями погрешность 1.3 % для таких типов датчиков не всегда является таковой.
Анализ причин погрешностей измерения
В исследованиях [1], посвященных контролю параметров и диагностике АТС, установлено, что параметры взаимного расположения элементов измерительной системы и контролируемого объекта влияют на величину погрешностей измерения.
Рассмотрим два одинаковых топливных бака прямоугольной формы с установленными емкостными датчиками уровня жидкости (рис. 2), расположенными с различным уклоном. Измеренные датчиками уровни топлива в баке будут одинаковы в обоих случаях, но при этом количество топлива в левом баке больше, чем в правом.
Таким образом, для большинства реальных форм баков тарировка в
горизонтальном положении распространяется только на данное горизонтальное положение. Наклон автомобиля не будет оказывать влияние на показания уровня топлива только тех датчиков, которые установлены по оси, проходящей через центр масс топливного бака. Следовательно, на точность измерения уровня топлива в баке наибольшее влияние оказывают угол наклона транспортного средства и расстояние от перпендикуляра к дну бака, проходящего через центр масс, до оси установки датчика (рис. 3).
Изменение показаний датчика можно определить по формуле
АЙ = (/1-|)1ёа, (1)
где 11 - расстояние от стенки топливного бака до оси установки датчика;
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (34), июль 2013 г.
АН| ИШГ I мтШ| Т1Р1Г тгп п°1"ПТГПТГИШШИШ
ш
Научные разработки и исследования
I - длина бака; а - угол наклона бака в продольной оси.
Рассмотрим бак грузового автомобиля КАМАЗ-5Б215 длиной 1=1250 мм, общим объемом 500 л (рис. 3). По формуле (1) рассчитаем величину, на которую будет изменяться уровень топлива при смещении датчика от центра масс бака к боковым стенкам на расстояние Д! = 11 - 1/2, а также при изменении угла его наклона а относительно горизонта в диапазоне от -15 до 15°.
Результаты расчета погрешности измерения уровня в топливном баке при изменении рассмотренных факторов представлены в виде двумерной зависимости на рис. 4.
При максимальном удалении от центра масс (Д!=б25 мм) и максимальном угле наклона относительно горизонтальной плоскости (а=15°) произойдет увеличение показаний датчика на величину ДЛ=167,47 мм. При площади основания бака 5 =0,7875 м2
" осн '
ошибка измерения уровня топлива в баке составит 131,88 л, или 2б,38 % номинальной вместимости топливного бака.
Этот способ позволяет увеличить точность измерения при нарушении ориентации бака в пространстве.
При этом измерители располагают в плоскости, проходящей через центр масс бака с топливом, определяют расстояние от точек измерения до перпендикуляра к основанию бака, проходящего через его центр масс, а объем топлива рассчитывают по формуле
/2 + ^ йг
Асн, (2)
Как видно из рисунка, чем дальше расположен датчик от центра масс и чем больше уклон, тем больше погрешность измерения. В то же время если датчик расположен в центре масс, то при любом уклоне показания останутся неизменными. Для увеличения точности измерений необходимо располагать датчик в центре масс бака, что не всегда возможно сделать на баке реального транспортного средства.
Следовательно, необходимо модифицировать требования к конструкции топливных баков и предусмотреть в них возможность установки дополнительных датчиков уровня топлива в геометрическом центре масс бака. Эти требования должны выполняться производителями баков еще на этапе их проектирования.
Для технического решения данной проблемы может быть использован способ определения количества топлива в баке транспортного средства [2], отличающийся тем, что уровень измеряется с двух противоположных сторон бака.
к
где ^ и И2 - уровни топлива, измеренные датчиком уровня с двух противоположных сторон бака; !1 и 12
- расстояния от точки измерения до перпендикуляра из точки центра масс к основанию бака; 5осн - площадь основания бака.
Таким образом, зная форму бака, его ориентацию в пространстве и показания датчика (датчиков) уровня, можно рассчитать объем топлива, находящегося в нем, и исключить погрешность, обусловленную рассмотренными факторами, что позволит повысить точность контроля и эффективность системы управления расходом топлива.
Литература
1. Научные основы совершенствования технологического оборудования для технического сервиса автотранспортных средств: дис. ... докт. техн. наук: 05.22.10 / Блянкинштейн Игорь Михайлович. - Иркутск, 2013.
- 4б7 с.
2. А.с. 1396723 Российская Федерация, МПК7 G 01 F 23/02. Способ
определения количества топлива в
баке транспортного средства / И.М.
Блянкинштейн; заявитель и патенто-
обладатель Ленинград. инж.-строит.
ин-т. № 3970635/10; заявл. 29.10.85; опубл. 27.06.12.
) Л
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (34), июль 2013 г.
