Потенциометр датчика уровня топлива

Датчик уровня топлива (ДУТ). Сборка, схемы, производство

0. Вступление

Забегая вперед скажу, будет три статьи, в этой я расскажу о самом простом варианте определения уровня дизельного топлива (только дизельного, использование на бензиновой технике абсолютно запрещено, так как взрывоопасно). В следующих статьях, если конечно будет читателю интересно, рассмотрим цифровой датчик уровня топлива, а в самом конце я планирую выложить схему и прошивку устройства для мониторинга, которое описывал в данной статье.

1. Немного теории

Самые популярные датчики измерения уровня топлива представляет собой электрический конденсатор, состоящий из двух трубок помещенных друг в друга, устанавливаются резервуар с топливом, уровень которого измеряется. Дизель свободно проникает в пространство между трубками, сигналом изменения уровня топлива в резервуаре является изменение электрической ёмкости датчика.

При изменении уровня топлива в резервуаре изменяется относительная диэлектрическая проницаемость пространства между обкладками конденсатора, поскольку диэлектрическая проницаемость топлива и воздуха в общем случае различна. А так как емкость прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости изолятора, то в результате изменяется и электрическая ёмкость датчика. Датчики в большинстве своем изготавливаются из алюминия или меди, потому что они меньше всего подвержены влиянию агрессивных сред. Из многих способов измерения значения емкости конденсатора и последующим преобразованием его емкости в пропорциональное изменение постоянного напряжения на выходе, был выбран широтно-импульсный способ, как достаточно простой и надежный, но при этом обеспечивающий необходимый уровень точности измерения. Сразу требуется оговорка, это самый простой в плане финансов и достаточно простой в плане сборки ДУТ метод определения уровня дизельного топлива.

2. Описание работы электрической схемы датчика уровня топлива

Рис 2. Принципиальная схема датчика уровня топлива (ДУТ) (большая схема тут)

Для увеличения стабильности и точности показания все элементы схемы используются с минимальным температурным коэффициентом. Резисторы используются с 1% допуском, микросхемы выбраны с улучшенными параметрами в отличии от бытовых аналогов, например: SE555N вместо NE555N, а LM358D вместо LM258D.
На микросхеме U1 SE555N и элементах R1, R2 и C1 собран задающий генератор. Так как от него сильно зависит стабильность показания то в качестве конденсатора С1 используется прецизионный полистирольные конденсатор К71-7 1%, обычно их устанавливали в советские цветные телевизоры в задающие генераторы строчной развертки. Можно заменить чем-то современным, но доступность и цена этих конденсаторов делает их весьма привлекательными, да и родились они еще в далеком году, когда СССР весьма неплохо следил за качеством производимых элементов.
С выхода 3-й микросхемы U1 прямоугольные импульсы запускают одновибратор, собранный на микросхеме U2 SE555N. В качестве конденсатора одновибратора, используется датчик помещенный в топливо, поэтому его емкость будет зависеть от уровня топлива, а следовательно, ширина импульса на выходе 3 микросхемы U2, будет изменяться также от уровня топлива.
Для обеспечения линейной зависимости ширины импульса от уровня заполнения датчика топливом, на датчик топлива поступает зарядный ток от стабилизатора тока выполненного на микросхеме U3.2 и транзисторе Q1 BC856BT. Также путем изменения зарядного тока осуществляется настройка схемы на различные размеры датчиков. Настройка схемы осуществляется путем подбора резисторов R6 и R7, для получения 1.8-1.9 Вольт на выходе схемы, при «сухом» датчике.
С выхода 3 микросхемы U2 импульсы поступают на интегратор, собранный на элементах R8 и C6.
Далее интегрированное напряжение сформировавшись на конденсаторе C6 поступает на фильтр низких частот, выполненного на R10 и С10.
Затем постоянное напряжение поступает на усилитель постоянного тока, выполненного на микросхеме U3.1.
С выхода 1-й микросхемы U3.2 сигнал, через фильтр, выполненный на элементах R17, С12, С14 и С15 поступает на выход.
Резистор R16 используется для предотвращения самовозбуждения усилителя при работе на емкостную нагрузку.
Делитель выполнен на резисторах R9 и R11 обеспечивает необходимое постоянное смещение для работы усилителя постоянного тока в линейном режиме.
Стабилизатор напряжения для питания электронной схемы, размещён по классической схеме на микросхеме U4 LM317MDT.
В итоге, на выходе, мы получаем аналоговый сигнал пустой бак 1.8В полный 6.0В (тут есть зависимость от высоты ДУТ), который линейный и прямо пропорциональный уровню топлива в баке\цистерне\хранилище. Затем, применив фильтр Калмана, можно убирать скачки топлива, выводить обсчет среднего расхода и пр.

В реальности это будет выглядеть примерно вот так:

График уровня топлива + скорость.

3. Чертеж датчика уровня топлива, материалы

РИС 3. Чертеж датчика уровня топлива (ссылка на большой чертеж)

Уже упоминалось, что используется в основном алюминий, как видно из чертежа, наружная трубка впаивается любым удобным способом в «голову» ДУТ. При производстве своих датчиков мы используем сварку, т.к. имеем к ней доступ, пусть не самый эстетически красивый вариант, но, надежен и проверен временем. Внутри используется алюминиевый стержень, для фиксации которого нарезается резьба в верней части. Втулки используются из специального фторопласта, который максимально толерантен к дизельному топливу.

4. Итог

На данном решении построены подавляющее большинство датчиков уровня топлива представленных на GPS рынке СНГ и мира. Каждый производитель вносит свои изменения для увеличения точности измерения уровня топлива, такие как акселерометр, температурные датчики, цифровая обработка сигнала и прочее. Представленная мною схема самая простая, готовая к работе, как говорится, в полях без каких либо сложностей. Уважаемый читатель с прямыми руками вполне может сделать любые доработки, которые можно использовать как для своих целей, так и для коммерческих нужд.

PS. Немного эротики про то как подобное добро устанавливается на технику можно посмотреть тут.

Источник

Датчик уровня топлива. Подробное руководство

В статье вы узнаете

Что такое датчик уровня топлива

Датчик уровня топлива (ДУТ) — устройство для оперативного и точного контроля высоты столба топлива в баке. На основании этих данных платформа GPS-мониторинга вычисляет:

• количество топлива в баке
• расход топлива за период
• средний расход топлива, например, литров на 100 км
• заправки или сливы топлива

Сфера применения

Датчики уровня топлива используются на стационарных и передвижных объектах. К стационарным объектам относятся, например, резервуары с топливом на АЗС. В качестве передвижных объектов выступают транспортные средства: автомобили, тепловозы, корабли и т.д.

Типы датчиков уровня топлива

По состоянию на 2018 год наиболее распространенными являются следующие типы ДУТов:

• Штатные
  • Поплавковый
    Также известен как “потенциометрический”
• Отдельно устанавливаемые
  • Емкостной
    Происходит от термина “диэлектрическая емкость”, а не в понимании “емкость как объем”
  • Ультразвуковой

Поплавковый датчик, как правило, является штатным (встроенным в автомобиль на заводе), и используется для отображения относительного уровня топлива на приборной панели автомобиля. Назначение этого датчика – показывать примерный уровень топлива в баке водителю. Поэтому он не является высокоточным, на практике его относительная погрешность может доходить до 10-30%.

Емкостный и ультразвуковой датчики относятся к высокоточным инструментам контроля топлива в системах управления автопарками. Они устанавливаются не на заводе, а дополнительно – интеграторами систем спутникового мониторинга. Относительная точность таких датчиков – в пределах 1-2%.

Поплавковый ДУТ

Поплавковый ДУТ устанавливается в бак автомобиля на заводе-производителе.

Принцип работы: поплавок соединен с переменным резистором (иначе говоря, “потенциометром”). При изменении уровня топлива в баке изменяется и положение поплавка. Поплавок связан с потенциометром, так что меняется сопротивление резистора и, следовательно, изменяется выходящее с датчика напряжение. Данные поплавкового датчика передаются на приборную панель через:

• отдельный провод; аналоговый сигнал (напряжение) – на старых а/м
• CAN-шину; цифровой сигнал – на современных а/м

Емкостной ДУТ

Емкостной ДУТ устанавливается в бак автомобиля по инициативе владельца транспорта. Основная мотивация для установки — учет израсходованного топлива и фиксация фактов хищения.

Принцип работы: емкостной ДУТ представляет собой электрический конденсатор (wikipedia: электрический конденсатор).

Исполнение: измерительная часть – это две не соприкасающиеся трубки, вставленные одна в другую (реже – трубка и внутренняя струна). Трубки выполняют роль обкладок конденсатора. Вверху обе трубки прикреплены к плате датчика.

На трубки подается электрический ток. При этом топливо выполняет функцию диэлектрика электрического конденсатора. Поверхности двух трубок-электродов не соприкасаются, а промежуток между обкладками свободно заполняется топливом при погружении датчика и так же свободно освобождается при уменьшении уровня топлива (так что уровень топлива в трубках точно соответствует уровню топлива в баке).

Поскольку топливо заполняет пространство между обкладками конденсатора (трубками датчика), его электрическая емкость изменяется. Например, бензин имеет меньшее удельное электрическое сопротивление, чем воздух. Значит время заряда будет сокращаться. Чем выше будет уровень бензина между трубками, тем быстрее зарядится конденсатор.

Подсчет времени зарядки ведется на плате датчика. На основании этой информации вычисляется высота столба топлива в ДУТе и в баке. Эта информация передается от датчика в GPS-терминал – модулируется в виде напряжения (аналоговый ДУТ), частоты (частотный ДУТ) или в оцифрованном виде (цифровой ДУТ).

Емкостный ДУТ подключается к GPS-трекеру. Данные измерений емкостного ДУТа передаются в систему мониторинга, как правило, вместе с очередным пакетом данных о местоположении.

Ультразвуковой ДУТ

Принцип работы: Датчик представляет собой УЗИ-излучатель с проводом для соединения с GPS-трекером. Излучатель закрепляется с внешней стороны дна бака и генерирует импульс ультразвуковой частоты. Пройдя через металлическое дно бака и толщу топлива, сигнал отражается от раздела сред «топливо-воздух». Отраженный сигнал улавливается этим же излучателем. На основании времени между отправкой импульса и возвратом отраженного сигнала вычисляется высота столба топлива в баке.

Ультразвуковой ДУТ подключается к GPS-трекеру. Данные измерений ультразвукового ДУТа передаются в систему мониторинга, как правило, вместе с очередным пакетом данных о местоположении.

В реальных условиях эта технология зарекомендовала себя не очень хорошо по причине сложного монтажа (влияют много факторов, которые приходится учитывать “на месте”):

• Датчик крепится к дну бака на специальный эпоксидный клей (в комплекте) или с помощью металлической ленты вокруг бака. Должен обеспечиваться идеальный контакт датчика с поверхностью бака. Если такого контакта нет, УЗИ волны распространяются с искажениями, что влияет на точность измерений.
• Непредсказуемое наличие в баке перегородок. Наличие перегородок (служат для уменьшения колебаний топлива) и материал, из которого они сделаны, могут влиять на распространение УЗИ сигналов и, как следствие, на показания датчика. Нужно подбирать место крепления датчика “на удачу”.
• Бугристая внутренняя поверхность бака. Пупырышки и бугорки на внутренней поверхности дна бака искажают и рассеивают УЗИ сигнал. Это снова приводит к неточностям.
• Наличие мусора и воды на дне бака. Со временем на дне бака скапливается мусор, вода (зимой – лед), которые плавают и мешают УЗИ сигналу, из-за этого образуется обманчивое представление о меняющемся уровня топлива.

На практике ультразвуковой ДУТ имеет смысл применять только для автомобилей, переведенных на газ. У таких автомобилей отсутствует возможность использовать другие типы ДУТов.

Как подобрать подходящий ДУТ

Емкостный и ультразвуковой ДУТы выбираются по следующим параметрам:

• размеры бака (принципиальное значение имеет высота)
• интерфейс подключения

Размеры бака

Для установки емкостного ДУТа важны высота и форма топливного бака. Поэтому стоит уточнить эти параметры у клиента хотя бы примерно.

Длина измерительной части ДУТа должна быть чуть больше высоты бака (если датчик короче высоты бака, то он не сможет измерять малый объем топлива). Излишки измерительной части ДУТа обрезаются в процессе монтажа так, чтобы датчик почти касался дна бака – оставляют 3-4 см для исключения короткого замыкания мусором (стружкой, водой) на дне бака.

Обычно производители ДУТов предлагают датчики с длиной измерительной части от 0,7 до 3 метров, в зависимости от модели устройства. Для баков большинства автомобилей достаточно ДУТа с длиной измерительной части 0.7 метра.

Несколько ДУТов на одной машине

Установка нескольких ДУТов на одно транспортное средство требуется в следующих случаях:

• Несколько топливных баков на одном ТС. Например, на фурах обычно установлено 2 бака, на вездеходах — 3 бака. В этом случае только установка ДУТов во все баки дает полную информацию об уровне топлива. В системе мониторинга информацию можно показывать отдельно по каждому ДУТу или показывать сразу сумму всех показаний.
• Топливный бак имеет сложную форму. Например, это может быть бак с возвышением в центре, образующим два несообщающихся “кармана”. Баки такой формы встречаются на сельхозтехнике. В таком случае установка двух (или более) ДУТов повышает точность измерений. В системе мониторинга показания установленных в один бак ДУТов можно усреднить.

Интерфейс подключения

Если транспорт клиента уже оборудован трекером, то стоит уточнить марку/модель трекера. Без этой информации точно сказать, какой ДУТ можно подключить к имеющемуся трекеру, невозможно. После выяснения названия трекера нужно посмотреть какие его интерфейсы поддерживаются в Navixy. Сделать это можно на navixy.com в разделе “Устройства”. Далее ДУТ подбирается исходя из доступных интерфейсов. При наличии у трекера и цифрового, и аналогового интерфейса (например, это Teltonika FMB 125) стоит рекомендовать установить ДУТ с цифровым интерфейсом (например, RS-485)

Если оснащение трекерами транспорта будет происходить вместе с установкой ДУТов, то стоит рекомендовать трекеры и ДУТы с цифровыми интерфейсами (например, RS-485).

Процесс установки ДУТа

Установка ДУТа в 100% случаев выполняется партнерами. Клиенты, как правило, не обладают квалификацией, опытом и желанием устанавливать ДУТы самостоятельно. Причины нежелания не только технические, но и организационно-социальные (препятствие нововведениям по контролю, саботаж и вандализм водителей и т.п.).

Чтобы установить ДУТ необходимо иметь:

• Бригаду из 2-х человек (одному сложно, например, демонтировать бак)
• Инструменты
  • Биметаллическую коронку по металлу (часто диаметром 35мм)
  • Угловую дрель
  • Сверла по металлу (часто нитрид-титановые, желтого цвета)
  • Отвертки крестовые и шлицевые
  • Шарнирно-губцевый инструмент (кусачки, пассатижи и т.п.)
  • Ножовку по металлу или трубкорез
  • Заклепщик (для закрепления ДУТа на толстостенных баках)
• Оборудование для тарировки
  • Трубку для тарировки
  • Мини-АЗС – портативную станцию с точным измерением залитого топлива в процессе тарировки
  • Емкости для временного хранения топлива в процессе тарировки (часто используются складные, типа надувных матрасов)
• Расходные материалы – хомуты, провода в гофре, пломбы, термоусадочные колпачки и т.д. и т.п.
• Ноутбук – для проведения калибровки, тарировки
• УНУ – устройство настройки (соединяет ноутбук и плату ДУТа); как правило имеет специализированные разъемы, подходящие только к датчикам какого-то одного производителя; поэтому для подключения к датчикам другого производителя нужно или другое УНУ или соответствующие переходники.

Как правило, профессиональные установщики имеют специальный автомобиль-техничку. В нем находятся емкости для слива топлива и станция для перекачивания топлива.

Помимо оборудования нужно иметь теоретическую подготовку и опыт решения нестандартных ситуаций.

А теперь посмотрим внимательно на процесс установки каждого типа ДУТа.

Ультразвуковой ДУТ

Для установки нужно зачистить участок снаружи дна бака, приклеить туда ДУТ и закрепить его хомутом, надетым вокруг бака. После этого к ДУТу подключается электропитание, производится тарировка.

Ультразвуковой ДУТ устанавливается снаружи на дно топливного бака. Для установки выбирается геометрический центр дна бака.

Время работы — примерно 4 часа.

Емкостный ДУТ

Чтобы установить емкостный ДУТ нужно снять и выпарить топливный бак, проделать вверху бака отверстие, вставить в него измерительную часть ДУТа и закрепить ДУТ саморезами к поверхности бака. После этого к ДУТу подключается электропитание, производится калибровка и тарировка.

1. Перед установкой из бака требуется слить все топливо. Затем необходимо избавиться от паров топлива, сохранившихся в баке после слива топлива. Если этого не сделать, то при сверлении отверстия из-за искры произойдет взрыв (особенно после бензина). Для этого бак демонтируется, в него заливается вода, сливается (повторить), и затем выпаривается (процесс называется “выпаривание бака”).
2. Для установки выбирается геометрический центр бака.
3. В геометрическом центре бака делается отверстие, металлическая стружка не должна попасть в бак.
4. Измерительная часть ДУТа подрезается чуть короче, чем высота бака — так топливо сможет свободно попадать между трубками бака. Для подрезки используется трубкорез или ножовка по металлу.
5. Выполняется калибровка. Это позволит ДУТу узнать свою новую длину, после подрезки. Для этого ДУТ переворачивается измерительной частью вверх и полностью заполняется топливом. Через 1-2 минуты топливо сливается.
6. Емкостный ДУТ устанавливается в сделанное отверстие так, чтобы измерительная часть находилась внутри бака, а плата с интерфейсным кабелем — снаружи.
7. Датчик закрепляется к поверхности бака саморезами. Для саморезов в металлическом основании верха датчика, на котором закреплена плата, предусмотрены отверстия.
8. ДУТ подключается к бортовой электросети автомобиля и к компьютеру. Для этого используется специальный переходник. На компьютер устанавливается ПО для настройки ДУТа.
9. Выполняется тарировка.
10. ДУТ отключается от компьютера и подключается к трекеру. Монтаж трекера закончен.

Время работы – примерно 4 часа. Обучающее видео от Omnicomm (10 минут)

Подключение к CAN-шине

Чтобы подключиться к CAN-шине, нужно сперва отыскать ее в автомобиле. CAN-шина – это два провода, свитых в витую пару. В автомобиле много проводов, да и CAN-шина может быть не одна. Поэтому отыскать нужную CAN-шину без документации о том, где она проходит, очень сложно.

Когда ее нашли, то для считывания данных используется “CAN-крокодил” (рекомендуется) или подключаются прямо к медным проводам (менее предпочтительно).

Источник