УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА СЖИЖЕННОГО ГАЗА В БАЛЛОНЕ

Полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использована для определения количества сжиженного газа в газовом баллоне, например, при эксплуатации газобаллонных автомобилей.
Известен способ определения массы сжиженного углеводородного газа в резервуаре (RU №2506545 С1, МПК G06F 23/26, G06F 1/64, заявлен 27.07.2012, опубликован 10.02.2014, Бюл. №4). Устройство для реализации данного способа содержит радиочастотный датчик - коаксиальный резонатор (цилиндрический конденсатор), заполняемый контролируемым веществом и расположенный вертикально внутри резервуара со сжиженным газом, шесть датчиков температуры равномерно расположенные по длине датчика, электронный блок и регистратор, причем каждый из датчиков с помощью соответствующей линии связи подсоединен к электронному блоку, к выходу которого подсоединен регистратор.
Данный способ основан на измерении электрической емкости, заполняемой контролируемым веществом, и температуры жидкой и газовой фаз внутри резервуара. По результатам совместного функционального преобразования указанных электрической емкости и температуры судят о массе сжиженного газа. Недостатком данного устройства является размещение датчиков внутри газового баллона, что усложняет их установку и техническое обслуживание - проверку, ремонт и замену, а также для выполнения этих работ необходима разгерметизация баллона, при этом возникает вредный фактор в виде загазованности.
Известен способ контроля давления газовых баллонов (RU №2548059 С1, МПК G06L 11/06, заявлен 05.12.2013, опубликован 10.04.2015, Бюл. №10). Устройство для реализации данного способа содержит источник акустических волн, акустический датчик и осциллограф. В данном способе для измерения давления применяются ультразвуковые средства, с помощью которых осуществляется регистрация прохождения акустических волн в газовой среде баллона и в корпусе баллона, и по величине разницы во времени прихода сигналов судят о давлении газа. Достоинством данного способа является бесконтактный контроль давления газовых баллонов. Недостатком данного устройства является использование осциллографа, что не позволяет автоматизировать процесс контроля давления.
Недостатком приведенных способов и устройств также является зависимость показаний от изменения положения газового баллона, от вибраций и ускорений в вертикальном направлении, что практически исключает возможность применения этих изобретений на движущемся автотранспорте. При этом устройства должны характеризоваться простотой установки, быть надежными удобными в эксплуатации и недорогими.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является, принятое за прототип, устройство для определения количества сжиженного газа в баллоне (Способ определения количества сжиженного газа в баллоне и устройство для его осуществления, RU №2010179 С1, МПК G01F 23/26, заявлено 12.05.1992, опубликован 30.03.1994), содержащее катушку индуктивности, намотанную на баллон со сжиженным газом и электрически изолированную от него, генератор синусоидального напряжения, формирователь импульсов, делитель частоты, генератор тактовых импульсов, электронный ключ, счетчик импульсов, элемент ИЛИ - НЕ, формирователь импульса сброса, регистр, дешифратор и индикатор.
Недостатком данного устройства является недостаточная точность измерений, что связано с зависимостью результатов измерений при изменении температуры.
К причинам препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится отсутствие средств обеспечивающих измерение температуры газового баллона.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения и надежность работы в широких диапазонах изменения температур.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в устройство для определения количества сжиженного газа в баллоне содержащее
катушку индуктивности, намотанную на баллон со сжиженным газом и электрически изолированную от него, и индикатор,
дополнительно введены группа из N датчиков температуры, установленных на газовом баллоне, модуль измерителя индуктивности, сигнализатор остатка газа и вычислительный блок, в состав которого входят модуль измерителя температуры, модуль усреднителя температуры, модуль расчета, модуль сравнения, модуль памяти, модуль обмена, два входа задания массы газа и шина обмена,
причем выводы катушки индуктивности подключены к входам модуля измерителя индуктивности, выводы N датчиков температуры подключены к соответствующим входам модуля измерителя температуры, выходы которого подключены к входам модуля усреднителя температуры, выходы которого подключены к первым входам модуля расчета, вторые входы которого соединены с выходами модуля измерителя индуктивности, а выходы модуля расчета соединены с индикатором и первой группой входов модуля сравнения, второй и третий входы которого являются первым и вторым входами задания массы газа, а выход модуля сравнения соединен с сигнализатором остатка газа,
а также выходы модуля измерителя индуктивности, модуля измерителя температуры, модуля усреднителя температуры, модуля расчета и модуля сравнения соединены с соответствующими входами модуля памяти и модуля обмена, выходы которого являются шиной обмена устройства.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для определения количества сжиженного газа в баллоне.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - баллон со сжиженным газом,
2 - катушка индуктивности, намотанная на баллон со сжиженным газом и электрически изолированная от него,
3 - модуль измерителя индуктивности,
1
2
N
4, 4, …, 4 - группа из N датчиков температуры,
5 - вычислительный блок
6 - модуль измерителя температуры,
7 - модуль усреднителя температуры,
8 - модуль расчета,
9 - индикатор,
10 - модуль сравнения,
11 - сигнализатор остатка газа,
12 - модуль памяти,
13 - первый вход минимальной массы газа,
14 - второй вход минимальной массы газа,
15 - модуль обмена,
16 - шина обмена.
В устройстве для определения количества сжиженного газа в баллоне катушка индуктивности 2 намотана на баллон 1 со сжиженным газом и электрически изолирована от баллона 1. Выводы катушки индуктивности 2 подключены к входам модуля измерителя индуктивности 3.
1
2
N
Группа из N датчиков температуры 4, 4, …, 4 устанавливается на газовом баллоне 1 и по отдельным линиям датчики подключаются к соответствующим входам модуля измерителя температуры 6.
Вычислительный блок 5 содержит модуль измерителя температуры 6, модуль усреднителя температуры 7, модуль расчета 8, модуль сравнения 10, модуль памяти 12 и модуль обмена 15.
Выходы модуля измерителя температуры 6 подключены к входам модуля усреднителя температуры 7, выходы которого подключены к первым входам модуля расчета 8, вторые входы которого подключены к выходам модуля измерителя индуктивности 3. Выходы модуля расчета 8 соединены с индикатором 9 и первыми входами модуля сравнения 10. Второй и третий входы модуля сравнения 10 являются первым 13 и вторым 14 входами задания массы газа, а выход модуля сравнения 10 соединен с сигнализатором остатка газа 11.
Выходы модуля измерителя индуктивности 3, модуля измерителя температуры 6, модуля усреднителя температуры 7, модуля расчета 8 и модуля сравнения 10 соединены с соответствующими входами модуля памяти 12 и модуля обмена 15. Выходы модуля обмена 15 являются внешней шиной обмена устройства 16.
Принцип работы устройства состоит в следующем.
Определение массы газа в газовом баллоне 1 выполняется косвенным методом измерений массы через индуктивность и температуру.
Известно, что при расходе газа происходит испарение газа и при этом падает температура сжиженного газа. Сжиженный газ отбирает нужное тепло из окружающей среды и нагревается до ее температуры. В устройстве в качестве первого информативного параметра измеряют индуктивность катушки, при этом газовый баллон и масса сжиженного газа рассматриваются как «сердечник» контура. Однако индуктивность обладает температурной нестабильностью, что обусловлено рядом факторов, например, при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, в результате изменяются шаг и диаметр витков, а также изменяется диэлектрическая проницаемость каркаса. В соответствии с ГОСТ 20718-75 свойства катушки при изменении температуры описываются температурным коэффициентом индуктивности. Поэтому в качестве второго информативного параметра измеряют температуру баллона со сжиженным газом.
1
2
N
Датчики температуры 4, 4, …, 4 располагают на поверхности баллона 1, как по торцам баллона, так и по окружности баллона вблизи катушки индуктивности 2. Количество датчиков N и их размещение зависит от условий эксплуатации и размещении газового баллона. Например, если баллон размещается в багажнике легкового автомобиля, то температура всех точек баллона практически одинакова, или если баллон расположен под кузовом грузового автомобиля, то температура внешней и внутренней боковых сторон, а также торцов баллона могут отличаться за счет воздействия внешней среды - нагреваться от солнца, охлаждаться от ветра, снега или дождя. Поэтому для проведения расчетов массы газа проводится усреднение температуры баллона.
Результаты расчетов выводятся на индикатор 9, который может быть цифровым, стрелочным или выполнен в виде шкалы светодиодов. Кроме того, в устройстве введен двухрежимный сигнализатор массы газа 11, который информирует о приближении к минимуму сжиженного газа («мигающий» режим лампы сигнализатора) или о количестве газа меньше минимума (лампа сигнализатора горит постоянно).
Кроме того в устройство введены модуль памяти 12 и модуль обмена 15, которые могут быть использованы для калибровки устройства, контроля и проверки работы устройства.
Предлагаемое устройство для определения количества сжиженного газа в баллоне работает следующим образом.
1
2
N
Индуктивность катушки 2 измеряется модулем измерителя индуктивности 3 и значение поступает на вторые входы модуля расчета 8. Одновременно сигналы от N датчиков температуры 4, 4, …, 4 поступают на соответствующие входы модуля измерителя температуры 6, в котором проводится их последовательный опрос и передача на вход модуля усреднителя температуры 7. В модуле усреднителя температуры 7 проводится расчет средней температуры - суммирование значений всех датчиков и деление суммы на количество датчиков N. Среднее значение температуры поступает на вторые входы модуля расчета 8.
При расходе газа изменяется масса сжиженного газа в баллоне 1, а значит, меняется индуктивность катушки 2, сердечником которой служит баллон со сжиженным газом 1.
В модуле расчета 8 проводится функциональное преобразование индуктивности катушки и температуры баллона в количество газа в баллоне. Функциональное преобразование может быть выполнено при помощи таблицы, полученной после калибровки баллонов одного типа, которая записывается в постоянное запоминающее устройство, а значения индуктивности и температуры используются как адреса памяти. Полученный результат выводится на индикатор 9.
Одновременно значение количества газа в баллоне поступает на первые входы модуля сравнения 10, на второй и третий входы которого соответственно задают значения массы газы предупреждения о приближении к минимуму (например, 10 литров - значение на входе 13) и значение минимального значения массы газа (например, 7 литров - значение на входе 14). При достижении количества газа в баллоне меньше 10 литров на выходе модуля сравнения 10 формируется сигнал, по которому сигнализатор 11 работает в «мигающем» режиме. При достижении количества газа в баллоне менее 7 литров на выходе модуля сравнения 10 формируется сигнал, по которому сигнализатор 11 горит постоянно.
Одновременно в процессе функционирования устройства информация с выходов модуля измерителя индуктивности 3, модуля измерителя температуры 6, модуля усреднителя температуры 7, модуля расчета 8 и модуля сравнения 9 поступает на соответствующие входы модуля памяти 12 и модуля обмена 15. В модуле памяти 12 проводится последовательная запись данных. По шине обмена 16 через модуль обмена 15 по запросам данные из устройства поступают в интегрированную систему управления автомобилем, для проверки работоспособности устройства и контроля.
1
2
N
В предлагаемом устройстве катушка индуктивности 2 и датчики температуры 4, 4, …, 4 могут быть выполнены в корпусах (чехлах) для защиты от внешних воздействий и их крепят на газовом баллоне 1, в модуле измерителя индуктивности 3 формируется цифровой выход. Модули вычислительного блока 5 могут быть реализованы на цифроаналоговых ПЛИС семейства Fusion, в состав которых входят непосредственно матрица ПЛИС, блоки ОЗУ, FLASH ПЗУ и аналоговый блок, состоящий из аналоговых коммутаторов и АЦП. Индикатор 9 может быть выполнен цифровым, стрелочным или в виде шкалы светодиодов. Сигнализатор остатка газа 11 может быть выполнен как индикаторная лампа. Загрузку таблицы ПЗУ в модуль расчета 8 и задание значений минимальной массы газа по входам 12 и 13 можно выполнить при программировании ПЛИС.
Таким образом, вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемое устройство обеспечивает измерение с высокой точностью количества сжиженного газа в баллоне, путем измерения индуктивности и температуры баллона при эксплуатации устройства в широких диапазонах температур, а также производить обмен данными и накопление данных о расходе газа. Кроме того предлагаемое устройство просто в изготовлении и установке, обслуживании и эксплуатации.