УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РАСХОДА ТОПЛИВА

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, а именно, к устройствам контроля расхода дизельного топлива в тепловозах и путевых машинах. Кроме того, устройство может быть использовано в автомобильных и водных транспортных средствах, а также в котельных.
Рациональное расходование дизельного топлива тепловозом включает следующие актуальные проблемы:
- сведение к минимуму потери от утечек и хищения топлива;
- объективную оценку технического состояния и своевременный ремонт топливной аппаратуры.
В настоящее время потери от нерационального расходования топлива (из-за плохого технического состояния локомотивов до 5%) и торговли топливом в пользу частных лиц составляет до 15% эксплуатационного расхода. Всего, в среднем, нерационально расходуется 1/5 часть дизельного топлива.
Существует несколько разновидностей устройств контроля расхода топлива, но их эксплуатация затруднительна из-за необходимости контроля плотности дизельного топлива, которая непрерывно изменяется при среднесуточных колебаниях температуры окружающей среды. Смена вида или партии топлива также требует внесения поправок в программу расчета.
Известно устройство для измерения расхода топлива в дизельных двигателях внутреннего сгорания с замкнутой топливной системой (патент RU №2225596 С2, кл. 7 G01F 3/10, G01F 9/00, опубл. 10.03.2004), содержащее расположенные в указанной топливной системе два роликолопастных расходомера, корпус каждого расходомера имеет соосно выполненные в нем входной и выходной каналы и содержит лопастной ротор и ролики-распределители, образующие через уплотнительные зазоры между их рабочими поверхностями и поверхностями внутренней полости корпуса входную и выходную рабочие полости, сообщающиеся с входным и выходным каналами, при этом
торцы корпусов расходомеров оснащены электромагнитными датчиками, посредством кабельной связи соединенными с общим счетным устройством. Корпуса обоих расходомеров соединены между собой по торцам, противолежащим торцам, оснащенным датчиками. Счетное устройство расположено со стороны датчика одного из расходомеров в соединенной с его корпусом торцовой крышке. Кабельная связь счетного устройства с датчиком другого расходомера расположена в выполненных в боковых стенках обоих корпусов соосных отверстиях, продольная ось которых параллельна осям вращения лопастных роторов, при этом входной канал корпуса одного из расходомеров и выходной канал корпуса другого расходомера расположены с общей стороны по отношению к плоскости, проходящей через оси вращения лопастных роторов. Измерение расхода топлива осуществляется при регистрации датчиками импульсов вращения лопастей роторов расходомеров и передачи через кабельные связи полученных результатов в счетное устройство, посредством которого определяют разность между объемом подачи топлива через топливоподающую магистраль и объемом возврата топлива (неиспользованной части) в топливносливную магистраль, что соответствует реальному возврату топлива в бак.
Однако это устройство имеет следующие недостатки:
- подсчет веса топлива требует введения поправок на изменение плотности топлива при изменении температуры, поскольку из-за разной плотности топлива и при разной температуре, вес топлива, проходящего через датчики расхода, будет разным. Кроме того, при смене партии топлива необходимо измерять его плотность и вводить в программу расчета. Это вносит дополнительную погрешность на добросовестность выполнения ввода исходных данных;
- устройство учитывает только тот вес топлива, который, с погрешностью на измерение плотности и ввода данных в систему учета, будет израсходован на работу дизеля, при этом не учитывается возможность несанкционированного слива из системы или из топливного бака;
- отсутствует устройство контроля (передатчик) за расположением локомотива.
Известна система измерительная СДМ Арзамасского приборостроительного завода (). Система содержит два датчика расхода (ТПРГ) геликоидного типа, устанавливаемые на входе и на выходе топливного насоса высокого давления; два термопреобразователя сопротивлений (ТСМ9620-01); блок специализированного вычислителя для измерения количества топлива, потребляемого дизелем локомотива; монтажный распределитель (РМ); монтажный комплект для установки датчиков расхода; комплект кабелей для электрического соединения составных частей. Измерение количества топлива выполняется двумя проточными датчиками ТПРГ, которые представляют собой турбинки геликоидного типа и устанавливаются на входе в коллектор топливного насоса высокого давления (ТНВД) и на выходе из коллектора ТНВД, с одновременной установкой в тех же местах термопреобразователей сопротивлений.
С помощью проточных датчиков определяется количество (объем) топлива на входе в коллектор топливного насоса высокого давления дизеля и на выходе из него, с учетом вводимой поправки на температуру топлива, предел основной относительной погрешности измерений количества топлива, потребляемого дизельгенератором тепловоза не превышает 1% на номинальном режиме; 3% на режиме холостого хода. Система формирует архив данных о расходовании топлива.
Однако система измерительная СДМ имеет следующие недостатки:
- подсчет веса топлива требует введения поправок на изменение плотности топлива при изменении температуры, поскольку из-за разной плотности топлива и при разной температуре, вес топлива, проходящего через датчики расхода, будет разным. Кроме того, при смене партии топлива необходимо измерять его плотность и вводить в программу расчета. Это вносит дополнительную погрешность на добросовестность выполнения ввода исходных данных;
- система измерительная СДМ учитывает только ту массу топлива, которая с погрешностью на измерение плотности и ввода данных в систему учета, будет израсходована на работу дизеля. Не учитывается возможность несанкционированного слива из системы или из топливного бака;
- количество топлива, заправляемого в бак локомотива, измеряется с помощью топливомерной рейки в литрах и пересчитывается с помощью введения плотности на вес. Здесь также может присутствовать субъективная оценка количества топлива;
- отсутствует сепаратор воздуха, что может оказывать влияние на показание проточных датчиков;
- отсутствует привязка к режимам работы дизельгенератора (связь с системой управления тепловозом);
- система измерительная СДМ не имеет передатчика о месте нахождения тепловоза.
В качестве ближайшего аналога к заявляемой полезной модели принят аппаратно-программный комплекс учета параметров работы тепловозов «Борт» (АПК «Борт»), разработанный ОАО «НИИ технологии контроля и диагностики железнодорожного транспорта» (НИИТКД), г.Омск (). АПК «Борт» содержит прибор контроля топлива в баке, связанный с электрической схемой тепловоза, по которому определяется характер работы дизель-генераторной установки, два датчика уровня топлива, датчик температуры, датчик давления топлива. В состав прибора контроля топлива входят: блок индикаторный, приемная антенна системы GPS, высоковольтный делитель напряжения, датчик мощности, распределительный модуль, блок питания импульсный, датчик контроллера машиниста.
Измерение количества топлива выполняется двумя емкостными датчиками уровня топлива, установленными в бак тепловоза. Указанные датчики реагируют на изменение уровня топлива. В бак также устанавливается датчик температуры топлива, который вводит поправку в связи с тем, что уровень топлива значительно зависит от его температуры (коэффициент объемного
расширения топлива линейно зависит от температуры). Поправка вводится программно. Исходная плотность топлива вводится оператором в программу вручную.
Комплекс обеспечивает непрерывную регистрацию и сохранение параметров работы тепловоза на съемной ФЛЭШ-карте, входящей в состав блока индикаторного и снимаемой при прохождении тепловозом ТО. Кроме того в комплект входит 4 персональных ФЛЭШ-карты машиниста, выдаваемых машинистам работающим на локомотиве. Информация с ФЛЭШ-карты о проделанной работе машинистом за смену, израсходованном топливе, состоянии дизель-генераторной установки считывается после каждой смены у дежурного. АПК «Борт» формирует информацию об удельном расходе при различных режимах работы тепловоза, а также архив данных о расходовании топлива и режимах эксплуатации тепловоза.
Однако аппаратно-программный комплекс устройств «Борт» имеет следующие недостатки:
- измерение количества топлива в баке тепловоза выполняется на основе измерения уровня топлива с последующим пересчетом на вес топлива. При этом предел допускаемой относительной погрешности составляет 5%. При такой погрешности трудно оценить техническое состояние дизель-генераторной установки и ее топливной аппаратуры;
- для пересчета уровня топлива в его вес, значения плотности топлива вводятся оператором вручную, что вносит субъективную оценку в процесс контроля топлива (измерения плотности могут быть выполнены неточно, либо оператор может ввести неверные показания плотности с целью получения «неучтенного остатка»);
- диапазон измерения уровня топлива в баке не более 1013 мм;
- отсутствует устройство контроля (передатчик) за расположением локомотива.
Технической задачей полезной модели является создание устройства, позволяющего измерять и контролировать непосредственно вес (массу) топлива,
заправленного в бак и расходуемого в процессе эксплуатации (без введения поправок на изменение плотности топлива при изменении температуры), в привязке: к текущему времени, режимам эксплуатации (холостой ход, работа под нагрузкой, скоростной режим дизель-генератора), к координатам расположения тепловоза. Измерение, непосредственно, веса топлива, а не его уровня, позволит отказаться от внесения непрерывных корректировок в показания системы при изменении плотности топлива, упростив тем самым измерение и калибровку при настройке системы, и сведет к минимуму потери от утечек и хищения. Количественная оценка веса топлива в баке, питающем дизель-генератор, полученная в режиме реального времени, предоставит возможность контролировать заправку и несанкционированный слив топлива. Удельные характеристики кг/ч. в конкретных режимам эксплуатации позволят оценить техническое состояние дизель-генератора и его топливной аппаратуры. Привязка к координатам расположения тепловоза предоставит возможность обнаружения мест несанкционированного слива топлива, а также позволит оценивать рациональность загрузки силовой установки на конкретных участках эксплуатации.
Указанная задача решается наличием следующих существенных отличительных признаков:
- в качестве датчиков для измерения веса расходуемого топлива в килограммах, без учета температуры топлива для подсчета изменения плотности и объема применены тензорезистивные датчики «РАДОН-УМ»;
- показания тензорезистивных датчиков, соответствующие весу заливаемого в бак топлива, автоматически переводятся в цифровой вид в контроллере и обрабатываются по заложенной программе в блоке обработки информации, входящем в состав прибора контроля топлива. При этом информация о количестве топлива (в килограммах) отображается на цифровом индикаторе прибора контроля топлива в кабине машиниста и передается по GPRS на компьютер оператора;
- диапазон измерения веса топлива в баке не ограничен;
- прибор контроля топлива снабжен передатчиком, передающим координаты расположения локомотива через систему GPRS на компьютер оператора и заносятся в его базу данных.
Сущность полезной модели поясняется фигурами.
На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого устройства контроля расхода топлива; на фиг.2 - тензорезистивный датчик «РАДОН УМ»; на фиг.3 - прибор контроля топлива устройства; на фиг.4 - график изменения веса топлива в баке на экране монитора оператора; на фиг.5 - фрагмент архива из базы данных в компьютере оператора.
Устройство контроля расхода топлива (фиг.1) содержит не менее двух тензорезистивных датчиков «РАДОН УМ» 1, 2, соединенных посредством кабелей 3, 4 через два преобразователя «ток-напряжение» 5, 6 с прибором контроля топлива 7.
Тензорезистивные датчики «РАДОН УМ» известны как датчики контроля уровня масла. Датчики выпускает научно-производственное предприятие «Интор», г.Новочеркасск Ростовской области (Web: ). Конструктивно датчик «РАДОН УМ» (фиг.2) состоит из цилиндрического корпуса, в котором размещены: электронное устройство, удлиняющая штанга с чувствительным элементом (тензорезистором) и вибростойкий цанговый зажим.
3
3
Принцип действия датчика «РАДОН УМ» основан на измерении посредством тензосистемы, входящей в чувствительный элемент датчика, гидростатического давления столба жидкости с плотностью 700-1000 кг/м и преобразования сигнала в электронном устройстве в аналоговый токовый выходной сигнал 4-20 мА. Дизельное топливо входит в диапазон жидкостей, с которыми могут работать датчики «РАДОН УМ». Оно относится к числу углеводородов. Плотность топлива колеблется в пределах 790-850 кг/м.
Верхняя поверхность топлива находится при атмосферном давлении. В данном случае, гидростатическое давление в жидкости с открытой поверхностью, когда к жидкости приложены в качестве объемных сил лишь силы тяжести,
действует на мембрану чувствительного элемента датчика, а через нее на тензорезистивный мост.
Основное уравнение гидростатики для избыточного давления в жидкости со свободной поверхностью (1) записывается в виде:
где:
2
р - гидростатическое давление, кг/см;
3
ρ - плотность жидкости, кг/см;
h - высота столба жидкости, см.
Для жидкостей, например, воды, у которых плотность ρ практически не изменяется с изменением температуры, величина гидростатического давления однозначно соответствует уровню h. Поэтому датчик «РАДОН УМ» справедливо считался датчиком уровня.
Если применить датчик «РАДОН УМ» для дизельного топлива (или бензина), т.е. жидкости, имеющей ярко выраженную зависимость изменения плотности и объема от температуры, то получается следующее: например, при нагреве, уровень h - повышается, плотность ρ - уменьшается, а неизменной величиной в уравнении (1) остается величина р - гидростатическое давление. Здесь датчик «РАДОН УМ» правильнее было бы считать датчиком гидростатического давления, с помощью которого легко можно определить силу тяжести жидкости, находящейся в зоне чувствительного элемента датчика. Мембрана датчика воспринимает усилие F веса столба жидкости, действующей на нее, равное:
где:
2
р - величина гидростатического давления, кг/см;
2
S - площадь мембраны датчика, см.
Причем сразу избавляемся от необходимости учета температуры топлива для подсчета изменения плотности и объема, т.к. на величину усилия, действующего на датчик, в соответствии с основным уравнением гидростатики
(1), влияние оказывает только сила тяжести жидкости, находящейся в зоне чувствительного элемента датчика. Следовательно, отпадает необходимость применения датчиков температуры (как в аналоге), что обеспечивает экономию времени и материальных средств. Это же подтверждается и экспериментальным путем. Если одну и ту же навеску топлива нагреть, то объем топлива увеличится, по сравнению с объемом в холодном состоянии, плотность, соответственно, уменьшится, а гидростатическое давление на чувствительный элемент датчика не изменится. Это свойство положено в основу измерения веса топлива, находящегося в баке транспортного средства.
Прибор контроля топлива 7 (фиг.3) предназначен для обеспечения питания датчиков и первичной обработки данных с аналоговых и логических входов.
Прибор контроля топлива содержит контроллер Atmega 8 (фиг.1), сторожевой таймер 9, блок обработки информации 10, цифровой индикатор 11, передатчик координат расположения локомотива 12, внутренний источник питания 13.
Контроллер Atmega 8 содержит аналоговый мультиплексор 14 и внутренний источник опорного напряжения 15, с помощью которых выполняется аналого-цифровое преобразование с токовых входов. Оцифрованные сигналы с аналоговых и логических входов поступают в устройство обработки информации и далее либо на флэш-накопитель, либо к GPRS связи с оператором. Кроме того, контроллер Atmega 8 содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16, предназначенный для сбора информации с аналоговых 5, 6 и логических входов 17-22 и передачи данных в блок обработки 10 информации через логические выходы 23-30.
Логические входы 17, 18, 19, 20, 21, 22 (фиг.1) служат для определения режима работы дизель-генераторной установки. Логические входы 17-20 соответствуют включению катушек электропневматических вентилей, сочетание включения которых обеспечивает задание скоростного режима работы дизель-генераторной установки. Логический вход 21 соответствует холостому
ходу локомотива. Логический вход 22 соответствует включению нагрузки тягового генератора.
Блок обработки информации 10 имеет выходы 31, 32, 33, соответственно: на флэш-накопитель, к системе связи с оператором через GPRS, к устройству программирования.
Цифровой индикатор 11 предназначен для отображения показаний количества топлива, находящегося в баке тепловоза (в килограммах).
Передатчик координат расположения локомотива предназначен для передачи данных диспетчеру, с указанием места нахождения дизель-генераторной установки, через систему GPRS. В качестве передатчика координат нахождения тепловоза 12 используется промышленно выпускаемый передатчик FSU002_431 (или другой с аналогичными характеристиками).
Устройство контроля расхода топлива получает питание от бортовой сети 34 тепловоза через аккумуляторную батарею 35.
Внутренний источник питания 13 предназначен для поддержания работы устройства контроля расхода топлива в течение 3-5 ч. в случае повреждения цепи связи с аккумуляторной батареей тепловоза.
Устройство контроля расхода топлива работает следующим образом.
Прибор контроля топлива (фиг.3) устанавливают в кабине машиниста.
Два тензорезистивных датчика «РАДОН УМ» 1, 2 (фиг.2) монтируют непосредственно на верхней плоскости топливного бака (по диагонали) с помощью цангового зажима, установленного на удлиняющей штанге датчика, и виброизолирующей шайбы.
Как пример, далее описывается состав устройства контроля расхода топлива, потребляемого дизель-генераторной установкой тепловоза ТЭМ2. Конец удлиняющей штанги каждого из датчиков «РАДОН УМ» 1 и 2, с расположенным на ней чувствительным элементом помещают вблизи дна топливного бака 36, на расстоянии 70-100 мм от дна (фиг.1). Это расстояние
условно принимается за технологическое начало отсчета веса топлива, находящегося в баке.
Для получения зависимости веса топлива, находящегося в топливном баке, от величины гидростатического давления, а точнее величины усилия, действующего на мембраны датчиков, установленных в бак, на технологическое начало отсчета, проводится калибровка бака. Для этого порциями заливают навески топлива, а на выходах датчиков 1 и 2 измеряют значения в мА. Средние арифметические значения показаний датчиков 1 и 2, соответствующие весу заливаемого в бак топлива, автоматически вводятся в блок обработки информации 10, входящий в состав прибора контроля топлива 7.
Далее, в соответствии с общей схемой устройства контроля расхода топлива, сигналы датчиков переводятся в цифровой вид в контроллере 8 прибора контроля топлива и обрабатываются по заложенной программе в блоке обработки информации 10.
Для машинистов на цифровом индикаторе 11 прибора контроля топлива 7 (фиг.3) выводится информация о количестве топлива (в килограммах) в топливном баке.
Полученные сведения, а также сведения о координатах положения локомотива передаются по GPRS на компьютер оператора 32 (фиг.1) и заносятся в базу данных.
Данные об изменении веса топлива в баке, включении вентилей 17-20 (фиг.1), управляющих скоростным режимом вращения вала дизель-генератора, включении холостого хода 21 или режима нагрузки 22 тягового генератора могут быть перенесены с прибора контроля топлива 7 на компьютер оператора с помощью флэш-накопителя 31. Это упрощенный вариант передачи данных оператору.
Поступившие на компьютер оператора 32 данные с прибора контроля топлива 7 обрабатываются с помощью программы отображения информации. В рассматриваемом случае, на экран монитора в режиме реального времени выводится график изменения веса топлива в баке 36 в виде ступенчатой диаграммы
(фиг.4). По оси ординат показаны изменения восьми скоростных режимов работы дизель-генератора, соответствующих восьми позициям контроллера машиниста, по оси абсцисс - признаки холостого хода и включения тяговой нагрузки. Информация с помощью, расположенной в верхнем левом углу компьютерной панели управления, может быть растянута по оси абсцисс, либо сдвинута по оси ординат в удобное для прочтения место.
Одновременно с представлением графической информации формируется база данных, в которую заносятся величины веса топлива в баке с интервалом в 1 мин. В случае необходимости, оператор может обратиться к базе данных за подробной информацией.
Так, например, на графике (фиг.4) обнаружен скачок веса топлива вниз, за короткий промежуток. Для того чтобы рассмотреть ситуацию подробнее, оператор сделал вертикальную отметку, определил с помощью программы представления данных реальное время, на котором возникла интересующая ситуация. Далее оператор вызывает из базы данных интересующий его фрагмент архива (фиг.5), и, база данных выдает подробную информацию о расходовании топлива.
Ниже приводится пример: оператора заинтересовал участок кривой, где появилась небольшая ступенька вниз. Это происходило на холостом ходу 12 марта 2008 г. Оператор смотрит по таблице: за время между 22.11 и 22.16 часов местного времени количество топлива в баке уменьшилось на 79 кг с 2277 до 2198 кг.
Дальнейшее служебное расследование, проведенное администрацией предприятия, показало, что топливо было перекачано топливоподкачивающим насосом тепловоза в запасной бачок емкостью 100 л.
Анализ кривых расходования топлива на нулевой позиции холостого хода показал, что тепловоз расходовал 11-11,5 кг дизельного топлива в час.
В данном примере не приводится привязка к координатам расположения локомотива. Но, по координатам расположения локомотива, совмещенным с приведенными на фиг.4 кривыми, можно определить места несанкционированных
сливов топлива, места длительных стоянок локомотива, с целью организации рациональной эксплуатации тепловоза.
Устройство контроля расхода топлива позволяет измерять и контролировать вес топлива, заправленного в бак и расходуемого в различных режимах эксплуатации, в килограммах, без внесения непрерывных корректировок в показания системы при изменении плотности топлива, а также обнаружить места несанкционированного слива топлива и оценить рациональность загрузки силовой установки на конкретных участках пути.