УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ТОПЛИВА В БАКЕ

Устройство относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения количества топлива в баке подвижного транспорта, например, автомобильного.
Известны устройства измерения уровня топлива в баках, основанные на емкостных способах измерения:
Известна конструкция устройства [Патент Российской федерации RU 2227904 C1, G 01 F 23/26. Иницин Ю.А., Козлов А.К. Электроемкостной уровнемер. 27.04.2004] используемого для измерения количества топлива в баке. Электроемкостный уровнемер содержит емкостный датчик уровня жидкости, эталонный конденсатор, два коммутатора, усилитель, конденсатор обратной связи, модулирующий конденсатор, задающий генератор, усилитель мощности, операционное устройство в составе процессора с блоком управления, постоянным запоминающим устройством и шиной адреса - данных, шину управления, цифровой индикатор, первый и второй компенсирующие конденсаторы, третий коммутатор и инвертор фазы.
Недостатком этого устройства является наличие большой погрешности измерений связанной с тем, что при измерении уровня диэлектрических жидкостей сред емкостным методом, таких как дизельное топливо, автомобильные бензины и др. возникают проблемы, обусловленные сильным влиянием на точность измерений состава горючего (изменение состава и количества добавок, наличие загрязняющих примесей и, особенно, наличие водных включений). Изменение состава топлива, условий эксплуатации, наличие инородных включений приводит к изменению диэлектрической проницаемости топлива, существенно влияющее на результаты измерений. Большое влияние на результаты измерений оказывает пенно- и волнообразование, и наличие осадка, например, водяного или тяжелых масел и др., особенно в дизельных системах. Применение коррекции результатов измерений по температуре, диэлектрической проницаемости, плотности малоэффективно в связи с большим разнообразием примесей.
Кроме того недостатком является то что в качестве измеряемого параметра используется уровень топлива в баке, в то время как в автомобильном транспорте представляет интерес объем топлива, поскольку отпуск и учет количества топлива ведется в объемных единицах, а пересчет уровня топлива в объемные единицы при наличии волно- и пенообразования а так же при изменении уровня горючего, обусловленного движением автотранспорта по наклонным дорожным покрытиям, дает значительное увеличение погрешности измерения.
Наиболее близким по своей технической сущности (прототипом) является устройство для измерения уровня жидкости [Патент Российской федерации
RU 2234687 С2, G 01 F 23/14, 23/16. Цымбалист В.А., Полев Г.В., Цымбалист О.В., Демина И.В. Устройство для измерения уровня жидкости. 20.08.2004], которое, по своей сути, измеряет не уровень жидкости, а вес столба жидкости, находящегося над датчиком давления тензометрического типа. Это устройство содержит вертикально расположенную трубу, насадку, герметично соединенную с трубой, пластину с окном, тензодатчик, расположенный в насадке и смонтированный на пластине, эластичную диафрагму, герметично закрывающую окно и спряженную с тензодатчиком, причем в нижней части насадки сделаны вырезы для подвода измеряемой жидкости. Давление жидкости передается на тензодатчик через эластичную диафрагму.
В данном устройстве точность измерения уровня (объема) топлива зависят от стабильности упругих свойств эластичной диафрагмы, связанной с тензоэлементом и от стабильности плотности жидкости.
Сопряжение чувствительного тензодатчика с эластичной (а не упругой) диафрагмой не может обеспечить стабильные упругие свойства, а значит и стабильную реакцию тензодатчика при изменении условий эксплуатации. В частности при изменении упругости эластичной диафрагмы за счет изменения температуры окружающей среды от минус 40 до плюс 60 градусов всего на 10...15%, результат измерений изменится так же на 10...15%. Аналогичная ситуация наступает при температурном изменении плотности топлива или его загрязнении.
Сильное влияние на результат измерений оказывает угол наклона автомобиля. Расчеты показывают, что при изменении угла наклона автомобиля на 30 градусов, результат измерений изменится в зависимости от геометрических размеров установки датчика на 20...30%.
Таким образом, недостатками прототипа являются:
- высокая зависимость результатов измерений от нестабильности упругости эластичной диафрагмы;
- высокая чувствительность к изменению плотности жидкости вследствие различных факторов (загрязнение, изменение состава, изменение температуры и др.) и в результате низкая стабильность измерений;
- зависимость результатов измерений от угла наклона автомобиля.
В основу полезной модели поставлена задача повышения стабильности измерений, а именно: уменьшения влияния нестабильности упругих свойств эластичной диафрагмы, уменьшения влияния изменения параметров контролируемой жидкости и уменьшения влияния угловых наклонов на результат измерения.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство для измерения количества топлива в баке, в котором вертикально расположена труба с герметично соединенной с ней насадкой, содержащей упругую пластину с тензодатчиком, с прорезями для подвода топлива к нижней части насадки, и нижнюю пластину, отличающееся тем, что в насадке дополнительно
установлена упругая пластина, обе упругие пластины выполнены крестообразными, установлены соосно с вертикально расположенной трубой, и разнесены по высоте друг от друга на расстояние, ниже минимально возможного уровня топлива, на пластинах размещены четыре пары тензодатчиков, причем в нижней пластине и верхней плоскости насадки против окончаний крестообразных упругих пластин выполнены окна, закрытые эластичными диафрагмами, механически соприкасающимися с окончаниями крестообразных упругих пластин, а выходы тензодатчиков соединены через усилители с входами дополнительного вычислительного устройства, выход которого является выходом устройства измерения количества топлива в баке, причем вычислительное устройство выполнено в виде микропроцессорного аналого-цифрового вычислительного устройства.
Предложенное устройство отличается от известной конструкции устройства измерения уровня с тензодатчиком, наличием четырех пар дополнительных пространственно разнесенных ортогонально расположенных тензодатчиков, расположенных на двух крестообразных упругих пластинах, смещенных по высоте, а также специальным вычислительным устройством, обеспечивающим выделение информации об объеме или уровне топлива в баке не зависимо от плотности горючего, его температуры, наличия в нем примесей и наклонов автомобиля. Это позволяет с большой точностью и стабильностью определять количество топлива в баке автомобиля.
По мнению авторов, наличие указанных отличительных признаков дает существенные отличия предложенного устройства от известных.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фигуре 1 изображена конструкция устройства, на фигуре 2 показан разрез устройства по сечению А-А, на фигуре 3 схема измерения, на фигуре 4 показана модель измеряемой в баке жидкости при наклоне бака.
Устройство содержит вертикально расположенную трубу 1, насадку 2 с четырьмя окнами 3, герметично соединенную с трубой, пластину 4 с четырьмя окнами 5, восемь тензодатчиков 6, расположенных в насадке и смонтированных на двух крестообразных упругих пластинах 7, 8 по четыре штуки на каждой и смещенных относительно друг друга по высоте на величину Δ. Окна 3 и 5 размещаются напротив окончаний крестообразных упругих пластин. Каждое из окон 3 и 5 закрыто диафрагмой 9, диафрагмы соприкасаются с окончаниями крестообразных упругих пластин 7, 8. В нижней части насадки сделаны вырезы 10 для подвода измеряемой жидкости к эластичным диафрагмам. Давление жидкости передается на упругие крестообразные пластины и закрепленные на них тензодатчики через эластичные диафрагмы. Упругость системы передачи давления на тензодатчики определяется упругостью крестообразных упругих пластин 7, 8.
Выходы тензодатчиков 6 через усилители сигнала (при необходимости) 11, подключены к входам вычислительного устройства 12, выход которого является выходом устройства измерения количества топлива в баке (фиг.3).
Устройство работает следующим образом. Давление жидкости через мягкие эластичные диафрагмы 9 прогибает упругие пластины 7, 8. и деформирует расположенные на них восемь тензодатчиков 6.
Величина сигнала тензодатчика (после усилителя) определяются высотой столба жидкости над соответствующим датчиком, температурой жидкости, ее плотностью и др. параметрами, и равна:
9-i
10-i
U
где U,...U - выходные сигналы усилителей тензодатчиков 11 соответственно; К - коэффициент чувствительности тензодатчика к деформации (с учетом коэффициента усиления усилителя);  - высота столба жидкости над соответствующим тензодатчиком; i=1...4 - номер тензодатчика.
Вычислительное устройство 12 выполняет следующие операции:
1. Преобразует аналоговый сигнал датчиков в цифровую величину;
2. Усредняет сигналы датчиков в течение некоторого интервала времени для уменьшения влияния колебаний жидкости на результаты измерений;
3. По сигналам датчиков 6 верхнего ряда из (1б) определяет мешающие факторы, а именно:
4. Исключая влияние мешающих факторов из (1а), определяет истинные уровни столба жидкости над датчиками 6 нижнего ряда:
5. По величинам  определяет углы наклона автомобиля в продольной φ и поперечной γ плоскостях (фиг.4):
0
6. Вычисляет действительный уровень Н и объем жидкости в баке:
где ; A, B - габариты бака (для бака прямоугольной формы);
a, b - координаты установки оси симметрии крестообразных упругих пластин относительно оси симметрии бака; 2·R - расстояние между точками приложения усилий от эластичных диафрагм к крестообразным упругим пластинам.
0
Для не прямоугольных баков величины А, В зависят от H - эти зависимости могут быть заданы, например, в табличной форме при тарировке устройства.