Прибор с датчиком для измерения уровня дизельного топлива в топливном баке

Изобретение относится к измерительной технике, конкретно к технологии определения количества топлива в баке транспортного средства, для измерения израсходованного топлива за конкретную поездку, а также для проверки уровня заправки топливом бака на бензоколонках. Сущность: измерение ведут от горловины бака до поверхности топлива, которое находится в нем, и с применением соответствующего датчика касания поверхности топлива. При этом соблюдать строгое горизонтальное положение транспортного средства не требуется. Достаточно произвести три замера по трем разным направлениям перемещения щупа и получить три разные точки касания его с поверхностью топлива, чтобы по ним учесть, что бак наклонен к горизонту и сколько в нем осталось топлива. Технический результат: создание простого по применению и универсальности способа определения топлива в баке транспортного средства, который мог бы быть автоматизирован. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, конкретно к технологии определения количества топлива в баке транспортного средства. Это изобретение может найти применение на автопредприятиях для измерения остатков топлива в баках транспортных средств, для контрольного измерения израсходованного топлива за конкретную поездку, для проверки уровня заправки топливом бака на бензоколонках, а также может быть использовано для контроля уровня в емкостях морских судов, тракторов, тягачей и т.п. Особенно оно эффективно при измерении уровня топлива в баках транспортных средств, на точность измерения которых сильно влияют поперечные и продольные крены бака, поскольку в этом случае давление столба жидкости и ее уровень относительно разных точек днища в каждый момент времени различны, и погрешность измерения становится тем больше, чем больше угол отклонения бака от нормального положения. При больших кренах бака погрешность достигает десятков процентов.

Процесс измерения остатков топлива в баках транспортного средства обычно осуществляется с помощью встроенных в них приборов (см., например, Патент РФ №2163005, «Способ измерения количества топлива в баке автомобиля», МКИ7 G01F 9/00; G01F 23/30, опубл. 2001.02.10).

Кроме того, в нормативных документах записано, что остаток топлива в баке автомобиля может быть измерен методом слива топлива в мерную емкость либо с применением мерной линейки.

Как известно, на практике метод порционного слива топлива, с помощью которого можно определить остаток топлива в баке, достаточно трудоемкий и больше носит теоретический характер. Поэтому практически для измерения остатков топлива в баке используются мерные линейки.

Применение мерной линейки основано на известном способе измерения топлива в баке транспортного средства путем механического ввода в бак щупа до его дна и последующего определения уровня топлива по длине следа от топлива на щупе. Причем лучшие мерные линейки используют щуп в виде трехгранного или четырехгранного либо круглого стержня, на поверхности которого нанесены соответствующие мерные деления. При этом для ввода щупа в бак используют горловину бака или ее пробку, служащие направляющими перемещения щупа относительно горловины бака (см. П.Ф.Дунаев. «Конструирование узлов и деталей машин», издание 3-е, переработанное и дополненное, Москва «Высшая школа», 1978, стр.112-113).

Это известное техническое решение выбирается в качестве прототипа как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому изобретению и имеющее с ним наибольшее число общих существенных признаков, а также решающее аналогичную задачу, что и заявляемое изобретение.

Кроме того, прототип как способ измерения топлива в баке имеет широкое распространение у водителей транспортных средств. Это объясняется тем, что он прост в применении и не требует никаких приборов для своей реализации.

Однако прототип имеет существенные недостатки, которые заключаются в следующем:

- имеет низкую точность измерения;

- экологически вредный, поскольку после измерений щуп приходится протирать от остатков топлива;

- имеет узкую сферу применения - только для конкретного автомобиля.

Эти недостатки обусловлены тем, что определение уровня топлива ведут от дна бака до поверхности топлива в нем и судят о количестве топлива в баке по длине конца щупа, введенного в бак и погруженного в его топливо. Кроме того, щуп калибруют только под два-три типа топливных баков одного или двух, редко трех типов транспортных средств. Для иных баков нужны другие щупы или набор щупов. Это не позволяет считать известный способ универсальным для определения топлива в любом баке и у разных транспортных средств.

Задачей настоящего изобретения является создание простого по применению и универсального способа определения топлива в баке транспортного средства, который мог бы быть автоматизирован.

Поставленная задача решена следующим образом. В известном способе измерения топлива в баке транспортного средства путем механического ввода в бак щупа и определения уровня топлива по длине щупа, СОГЛАСНО настоящему изобретению, вместе со щупом используют датчик касания поверхности топлива, а определение уровня топлива по длине щупа ведут от горловины бака до точки касания торца щупа с поверхностью топлива, при этом перед вводом щупа в бак используют направляющую перемещения щупа относительно горловины бака с возможностью создания, по меньшей мере, трех направлений перемещения щупа в баке, и создают точку отсчета его перемещения.

Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет получить новый способ измерения топлива в баке транспортного средства, который является универсальным и может быть автоматизирован. Кроме того, является простым в реализации.

Это обусловлено тем, что вместе со щупом используют датчик касания поверхности топлива, а определение уровня топлива по длине щупа ведут от горловины бака до точки касания торца щупа с поверхностью топлива. В результате щуп не погружается в топливо, а всего лишь касается его поверхности. Датчик касания поверхности топлива дает высокую точность определения топлива в баке, а сам способ позволяет автоматизировать процесс измерения. Наличие направляющей перемещения щупа относительно горловины бака и создания ею точки отчета его перемещения повышает точность измерения, т.к. направляющая задает требуемый угол ввода щупа в бак, который учитывается при определении количества топлива в баке.

По сравнению с прототипом заявляемое техническое решение имеет существенные отличия:

- используется новый мерительный инструмент - щуп и датчик касания поверхности топлива в баке, что повышает точность измерения и дает возможность автоматизировать процесс измерения, а также сделать способ измерения универсальным для большинства транспортных средств и их разновидностей баков;

- выбирают противоположное прототипу направление определения уровня топлива в баке, что не требует погружения в топливо щупа, а следовательно, не создает опасности загрязнения окружающей среды и обеспечивает удобство эксплуатации;

- создают свою точку отсчета перемещения щупа относительно горловины бака, что повышает точность определения уровня и количества топлива в баке и обеспечивает автоматизацию измерения.

Проведенный заявителем патентно-информационный тематический поиск показал, что заявляемая совокупность существенных отличительных признаков не известна.

Поэтому с учетом ранее отмеченных отличительных признаков по сравнению с прототипом и результата патентно-информационного тематического поиска заявляемое изобретение можно считать новым.

Предлагаемый способ измерения топлива в баке транспортного средства обладает изобретательским уровнем, так как заявляемое техническое решение для специалиста средней квалификации логически не следует из известного уровня техники, а скорее противоречит сложившейся в нем тенденции развития способов измерения топлива в баке транспортного средства. Так, например, известно авторское свидетельство №295373, выданное на «Датчик топливомера», МКИ7 B64D 37/28; G01F 23/62, опубл. 2004.10.27, а заявлено - 1969.09.22. В нем используется трубка, по которой скользит поплавок с магнитом. Трубку погружают в бак и в его топливо. Причем трубку погружают до дна бака. Известно авторское свидетельство №800657, «Поплавковый уровнемер», М.Кл3 G01F 23/12, опубл. 30.01.81. В этом изобретении используется трубка с поплавковым элементом, снабженным магнитом. Трубку помещают в резервуар с топливом до его дна. Известен Патент РФ №2262084 «Резонансный акустический уровнемер», МКИ7 G01F 23/28; G01F 23/296, опубл. 2005.10.10. В этом изобретении все аналогично. Трубку опускают до дна резервуара в топливо, находящееся в нем. Определение уровня топлива ведут по мерным отрезкам трубки, в которых установлены соответствующие датчики. Причем определение уровня топлива ведут от дна резервуара до поверхности топлива в нем.

Таким образом, в известном уровне техники упомянутые способы построены на использовании постоянных (встроенных в транспортное средство) мерительных средств, в частности трубки в качестве щупа, которую размещают в баке или резервуаре. Устанавливают ее с упором в дно бака или резервуара. Определение уровня топлива или жидкости в баке или резервуаре ведут от дна до поверхности жидкости или топлива, которая оставляет соответствующий след на поверхности конца опущенного щупа в бак или резервуар.

Известно изобретение «Устройство для измерения уровня жидкости в емкости транспортного средства» по авторскому свидетельству СССР №657262, (М.кл. G01F 21/28, опубл. 15.04.75). В этом изобретении способ основан на измерении давления столба жидкости, пропорционального уровню, и может быть использовано для контроля уровня в емкостях транспортных средств, например морских судов, тракторов, тягачей и т.п. При измерении уровня топлива в баках транспортных средств на точность измерения сильно влияют поперечные и продольные крены бака, поскольку в этом случае давление столба жидкости и ее уровень относительно разных точек днища в каждый момент времени различны и погрешность измерения становится тем больше, чем больше угол отклонения бака от нормального положения. Причем при различных углах наклона бака расстояние Н между днищем бака и поверхностью жидкости, т.е. длина перпендикуляра, восстановленного к плоскости днища, остается неизменными только в центре тяжести плоского днища (как геометрической фигуры). Для всех остальных точек днища эта величина переменна. Давление Р в точке Т определяется высотой Ti столба жидкости. Высота Н столба является функцией угла наклона бака.

В заявляемом способе измерения топлива в баке транспортного средства ситуация обратная. Со щупом используют датчик касания поверхности топлива, а определение уровня топлива по длине щупа ведут от горловины бака до точки касания торца щупа с поверхностью топлива. Таким образом, с одной стороны, использован известный принцип механического опускания в бак щупа и применение датчика, а с другой стороны, используют датчик касания поверхности топлива, а щуп опускают в бак только до касания поверхности топлива. Определение уровня топлива ведут от поверхности топлива в баке до горловины бака. Кроме того, направление перемещения щупа в бак задают с помощью направляющей и с ее же помощью создают точку отчета его перемещения относительно горловины бака. В результате путем изменения направления перемещения щупа в бак можно установить уровень и количество топлива при перекосе машины на стоянке. Более того, использование вместе со щупом датчика касания поверхности топлива в баке и использование направляющей перемещения щупа относительно горловины бака позволяет применять заявляемый способ для любых транспортных средств и с любой конструкцией бака.

Практическое применение заявляемого способа поясняется чертежами, где:

фиг.1 - бак в начале ввода в него щупа;

фиг.2 - бак со щупом, введенным до касания поверхности топлива;

фиг.3 - бак с возможными тремя направлениями перемещения в баке щупа.

Как уже отмечалось ранее, предлагаемый способ измерения топлива в баке транспортного средства может быть применен для определения топлива в баке любого транспортного средства. Так, например, бак 1 имеет прямоугольную форму со скошенным верхним углом (Фиг.1). На этом скосе выполнена его пробка 2. Для определения топлива в баке используют щуп 3 и датчик 4 касания поверхности 5 топлива 6, находящегося в баке 1. Причем в качестве датчика 4 касания поверхности 5 топлива 6 может быть использован практически любой бесконтактный датчик, например, основанный на применении ультразвуковых волн либо световодов, или емкостной, индуктивный. Датчик 4 должен быть совместим со щупом 3, т.е. он вместе со щупом 3 механически вводится в бак 1. Практика заявителя показала, что наилучший вариант применения вместе со щупом 3 датчика 4 касания поверхности топлива может быть использование в качестве щупа 3 трубки, у которой на одном конце установлен датчик 4 давления, образующий с трубкой датчик 4 касания поверхности 5 топлива 6. Необходимо заметить, что щуп 3 в виде трубки может быть выполнен из материала, который наилучшим образом отвечает требованиям датчика 4, используемого с ней, в частности датчика 4 давления. Например, трубка может быть выполнена из алюминиевого сплава или из пластика, Главное, чтобы ее можно было вводить в бак 1 под определенным углом и в баке 1 вести по заданной траектории (Фиг.1, 2). Это особенно важно, когда в транспортном средстве осложнен прямой доступ к горловине бака 1 и само транспортное средство расположено не на горизонтальной плоскости (на чертеже не показано). Тогда надо использовать направляющую 8 с возможностями задания, по меньшей мере, трех направлений перемещения щупа 3 в баке 1 (Фиг.3).

В наилучшем варианте вначале вместо пробки 2 либо на нее (если в пробке уже имеется соответствующее отверстие для доступа в бак) на горловину 7 топливного бака 1 устанавливают направляющую 8 перемещения щупа 3 относительно горловины бака 1 (Фиг.1, 2, 3). С помощью этой направляющей 8 задают угол α погружения щупа 3 в бак 1 (Фиг.1, 2, 3). В качестве щупа 3, как было отмечено ранее, целесообразно использовать трубку, у которой на одном конце установлен датчик 4 давления, образующий с трубкой датчик касания поверхности 5 топлива 6. Этот щуп 3 через упомянутую направляющую 8 опускают в бак 1, и это перемещение щупа 3 фиксируется относительно точки отсчета, созданной упомянутой направляющей 8, до поверхности 5 топлива 6, т.е. измерение длины щупа 8 ведут от горловины до поверхности 5 топлива 6 в баке 1. Момент касания трубки поверхности 5 - момент перекрытия отверстия на конце трубки поверхностью 5 топлива 6. Это вызывает в трубке изменение давления воздуха, которое фиксируется датчиком 4 давления. Надо принять во внимание, что геометрия каждого бака 1 для конкретной марки и модификации автомобиля просчитывается с учетом всех конструктивных особенностей и вводится в информационное обеспечение средства измерения (на чертеже не показано) перемещения щупа 3 относительно горловины бака 1. Для всех уровней топлива 6 в баке 1 просчитывается соответствие его объема с расстоянием от поверхности 5 топлива 6 до горловины бака 1 в виде калибровочных таблиц. Она вводится в соответствующее информационное обеспечение мерительного инструмента.

Возможен случай, когда целесообразно применение ручного варианта замера длины погружения трубки. Для этого используют обычную линейку (на чертеже не показано). Для автоматического измерения может быть использован электронный датчик перемещения щупа относительно горловины бака (Фиг.3). Данные об этих перемещениях передаются в вычислитель, например, встроенный в направляющую, где с учетом калибровочных таблиц индицируется уровень топлива.

Предлагаемый способ был проверен заявителем на более чем десятке машин. Все они показали, что времени на применение этого способа требуется меньше, чем при использовании прототипа. Точность измерения уровня топлива составляла меньше миллиметра, что в несколько раз точнее применения способа по прототипу. В принципе, возможна и более высокая точность определения уровня топлива в баке. Предлагаемый способ по своей сути чистый, поскольку нет погружения щупа 3 в топливо 6.

Предлагаемый способ позволяет использовать один измеритель для любых транспортных средств с различной конструкцией и объемом топливного бака. При этом сам способ может быть легко автоматизирован, что исключит возможные ошибки персонала при проведении измерений. Отметим, что предлагается достаточно простое и понятное техническое решение, которое позволяет надежно и точно измерять топливо в баках транспортного средства. При этом не имеет принципиального значения ни количество транспортных средств, ни разнообразие их марок, как известно, имеющих топливные баки различного объема, формы, в том числе и нестандартной.

Надо отметить, что по предлагаемому способу не используется штатный (встроенный в транспортное средство или в бензоколонку) датчик уровня топлива, а используется независимый измеритель топлива в баке, которым можно достоверно проверить точность работы штатных датчиков. При этом используется традиционный механический ввод щупа в бак, но с определением топлива в баке от горловины бака до поверхности топлива, находящегося в нем. Кроме того, предлагаемый способ помогает упростить процедуру измерения израсходованного топлива и достаточно точно измерять остатки топлива в баках транспортных средств.

Следует также отметить, что все существующие способы определения объема топлива по уровню требуют горизонтального положения транспортного средства. Только тогда можно с достаточной точностью определить и уровень топлива в баке, и его объем в нем. По предлагаемому способу соблюдать строгое положение транспортного средства не требуется. Достаточно произвести три замера по трем разным направлениям (Фиг.3) перемещения щупа 3 и получить три разные точки касания его с поверхностью 5 топлива 6, чтобы по ним учесть наклон бака 1 к горизонту. А далее традиционные расчеты и традиционные теперь методы предварительного моделирования подобных ситуаций для данного транспортного средства позволяют скорректировать результаты измерений и индицировать объем топлива в баке с учетом наклона автомобиля.

Для сравнения, исправные стационарные датчики могли показывать результат измерений не точнее 25%.

Отметим, что предложенный способ измерения топлива в баке транспортных средств эту точность превышает. В частности, заявителями были выбраны следующие грузовые автомобили:

КАМА3-55111 с топливным баком 250 литров;

КАМА3-53215 с топливным баком 500 литров;

КАМА3-43114 с топливным баком 170+210 литров.

Предварительно по конструкциям баков этих автомобилей были созданы их компьютерные модели, были также проведены расчеты и получены таблицы соответствия количества топлива в баке и глубины погружения щупа в бак. Эти процедуры стандартные. Поэтому в пояснениях не нуждаются.

Заявители провели эксперименты: выяснили точность по заявляемому способу измерения количества топлива в баке и оценили удобства проведения измерений. Для этого в баки машин добавлялось топливо порциями по 20 литров. После чего проводились измерения.

В результате для всех машин подтвердилась достаточно высокая точность измерения топлива, которая выполнялась одним измерителем. Например, для бака в 250 литров, в который было залито 100 литров, точность измерения была не хуже 1% от объема бака.

Следует особенно отметить простоту и удобство проведения измерения предложенным способом. Для этого достаточно вставить пробку 2 с направляющей 8 в горловину 7 бака 1 и опустить щуп 3 в бак 1 до тех пор, пока не сработает датчик 4 касания с поверхностью 5 топлива 6. Эта процедура занимает не более 5 секунд и не требует специальной подготовки.

Отметим, также, что для эксперимента был использован интегральный датчик давления MRX100ASX фирмы Motorola и применен в соответствии с рекомендациями, которые подробно описаны в монографии: Панфилов Д.И., Иванов B.C. П01 Датчики фирмы Motorola. - М.; ДОДЭКА, 2000. - 96 с. (стр.10-56). В результате датчик вырабатывал стандартный электрический сигнал, из которого надежно и без помех обнаруживался момент касания конца трубки с поверхностью топлива. Сигнал в момент касания всегда был достаточно выраженный и по характеристикам походил на низкочастотный звуковой удар. Это позволило реализовать упрощенный вариант датчика давления, заявленного в описании. В результате был использован широко применяемый электретный микрофон. Как описано в книге Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. - 592 с. (на стр.398 - По существу, микрофон является датчиком давления, приспособленным для преобразования звуковых волн... Основное отличие между обычным датчиком давления и акустическим преобразователем заключается в том, что последнему не приходится измерять постоянное давление).

Поскольку необходимо зафиксировать только факт касания с поверхностью топлива, микрофон в данном случае вместе со щупом-трубкой выполняет роль датчика касания, заявленного в описании. Для выделения сигнала касания из общего сигнала, вырабатываемого микрофоном, был применен низкочастотный фильтр, подавляющий частоты выше 0,1 Гц. В результате факт касания с применением микрофона также надежно обнаруживался. Поскольку стоимость микрофона значительно меньше стоимости интегрального датчика давления, то это техническое решение оказалось весьма привлекательно для массового производства.

В результате, следует заключить, что предложенный способ измерения топлива в баке транспортных средств позволяет реально решать важные задачи, связанные с контролем потребления топлива.

Способ измерения топлива в баке транспортного средства путем механического ввода в бак щупа и определения уровня топлива по длине щупа, отличающийся тем, что вместе со щупом используют датчик касания поверхности топлива, а определение уровня топлива по длине щупа ведут от горловины бака до точки касания торца щупа с поверхностью топлива, при этом перед вводом щупа в бак используют направляющую перемещения щупа относительно горловины бака с возможностью создания, по меньшей мере, трех направлений перемещения щупа в баке, и создают точку отсчета его перемещения.