Датчик уровня топлива

Полезная модель относится к измерительным устройствам, в частности к датчикам уровня топлива, и предназначена для применения в системах учета и контроля массы, объема топлива, в которых требуются измерения уровня, плотности и температуры топлива в баках и цистернах транспортных средств и стационарных резервуарах.
Из уровня техники известен датчик уровня, предназначенный для измерения, сбора и контроля параметров перевозимой в транспортных емкостях жидкости, состоящий из герметичного корпуса, соединенного со съемной крышкой и имеющего по меньшей мере один кабельный ввод, и жестко закрепленной в нижней части основания корпуса измерительной части с находящимся внутри нее измерительным элементом, контроллер которого размещен во внутренней полости корпуса (RU 2594380, 20.08.2016).
Недостатком данных конструкций является низкая эффективность, точность измерения и работоспособность устройства, а также сложность конструкции.
Техническая проблема, на решение которой направлена предложенная полезная модель, заключается в расширении арсенала технических средств и создании  компактного, высокоэффективного датчика уровня топлива, параметры которого устраняют указанные выше недостатки и обеспечивают улучшение эксплуатационных характеристик.
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в повышении эффективности, точности измерения уровня и плотности при помощи одного устройства, что как следствие позволяет значительно повысить рентабельность системы учета топлива, обеспечивая высокую надежность измерений в условиях повышенной вибрации при эксплуатации на автомобильном и железнодорожном транспорте, а также точность вычисления массы и объема топлива в системах учета и контроля топлива при сохранении простоты конструкции датчика.
Указанный технический результат достигается в датчике уровня топлива, содержащем датчики температуры, инклинометр и электронный блок управления, выполненный с возможностью формирования импульсов, поступающих на ультразвуковой излучатель, установленный на свободном конце внутри измерительной трубы, при этом электронный блок управления содержит микроконтроллер, формирователь импульсов, усилитель, АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и коммутатор.
Датчики температур расположены вдоль измерительной трубы или во вспомогательной трубе, смежной с измерительной трубой.
Инклинометр установлен в электронном блоке управления.
В верхней части измерительной трубы установлена заглушка для обеспечения проведения периодической поверки датчика уровня топлива без его демонтажа. Точное значение уровня заглушки хранится в энергонезависимой памяти датчика, и при условии превышения уровнем топлива уровня заглушки, сравнивая показания датчика и известное значение уровня заглушки, можно проводить периодическую поверку без демонтажа датчика.
Кроме того, датчик уровня топлива имеет герметизацию эпоксидной смолой для обеспечения работоспособности устройства при погружении его в техническую воду.
Данное выполнение датчика уровня топлива обеспечивает увеличение точности измерения уровня топлива за счет электронного блока управления, который имеет цифровую электронику (за счет применения цифровых фильтров, преобразования Фурье, интерполяции, увеличение частоты преобразования АЦП), а также за счет датчиков температуры и инклинометра (измеритель угла наклона) для определения отклонения оси датчика уровня топлива от вертикали.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид датчика уровня топлива; на фиг. 2 – структурная схема электронного блока управления.
Принятые обозначения:
1 – резервуар (бак)
2 – топливо
3 – датчик уровня топлива
4 – электронный блок управления
5 – фланец
6 – прокладка
7 – измерительная труба
8 – вспомогательная труба
9 – датчики температуры (термодатчики)
10 – ультразвуковой излучатель (приемник)
11 – заглушка
12 – микроконтроллер
13 – блок памяти
14 – интерфейс RS-485
15 – формирователь импульсов
16 – усилитель
17 – АЦП
18 – коммутатор
19 – инклинометр
20 – отверстие
21 – реперный выступ
22 - кабель.
Датчик уровня топлива закрепляется на крышке топливного бака транспортного средства или стационарном резервуаре 1 с помощью фланца 5 и состоит из ультразвукового излучателя 10,  датчиков температуры 9, электронного блока управления 4 и  инклинометра 19.
Электронный блок управления 4 установлен на лицевой (внешней) стороне фланца 5 и соединен с измерительной трубой 7, закрепленной одним своим концом на обратной (внутренней) стороне фланца 5, и содержит микроконтроллер 12 с блоком памяти 13, связанный через формирователь импульсов 15 и коммутатор 18 с ультразвуковым излучателем 10, сигналы с которого поступают через усилитель 16 и АЦП 17 в микроконтроллер 12, соединенный с инклинометром 19 и датчиками температур 9 и выполненный с возможностью передачи с указанных устройств данных в систему учета топлива по интерфейсу 14.
Электронный блок управления 4 связан с ультразвуковым излучателем 10 с помощью кабеля 22.
Ультразвуковой излучатель 10 установлен на свободном конце внутри измерительной трубы 7, в верхней части которой расположена заглушка 11 для обеспечения проведения периодической поверки датчика уровня топлива без его демонтажа.
Датчики температур 9 расположены вдоль измерительной трубы 7 или внутри вспомогательной трубы 8, смежной с измерительной трубой 7 и закрепленной также на обратной стороне фланца 5.
Измерительная труба 7 выполнена с реперным выступом 21 и отверстиями 20, одно из которых расположено рядом с ультразвуковым излучателем 10, а другое – с заглушкой 11.
Датчик уровня топлива выполнен с герметизацией эпоксидной смолой для обеспечения работоспособности устройства при погружении его в техническую воду, что позволяет производить проливку и тарировку резервуаров/емкостей без необходимости демонтажа датчика уровня топлива.
В заявленном датчике уровня топлива электронный блок управления формирует пачку ультразвуковых импульсов заданной частоты и длительности, поступающих на ультразвуковой излучатель. Количество импульсов выбирается в зависимости от длины измерительной трубы, которая может быть разной для разных резервуаров/баков. После выдачи пачки импульсов, ультразвуковой излучатель переключается в режим приема отраженного сигнала от реперного выступа в измерительной трубе и от верхнего уровня топлива.
В электронном блоке управления измеряется время прохождения импульсов от ультразвукового излучателя до реперного выступа и до верхней границы уровня топлива. На основе измеренной величины времени распространения сигнала до реперного выступа, вычисляется скорость ультразвука в топливе. Кроме того, время прохождения импульсов от ультразвукового излучателя до реперного выступа применяется для точного вычисления уровня топлива по формуле:
h
r
n
r
L=L * T / T, где
h
r
n
r
L – уровень топлива; L – расстояние от излучателя до реперного выступа; Т – удвоенное время распространения ультразвукового сигнала до верхнего уровня топлива; Т – удвоенное время распространения ультразвукового сигнала до реперного выступа.
Такое исполнение датчика уровня топлива позволяет в одной измерительной трубе измерять время распространения сигнала до реперного выступа и до верхней границы топлива. Разделение сигналов осуществляется в электронном блоке управления с помощью цифровой обработки.
Плотность топлива вычисляется по известной зависимости плотности от скорости ультразвука и от средней температуры топлива, измеренной с помощью датчиков температуры, расположенных в вспомогательной (дополнительной) трубе, а измерение угла наклона датчика уровня топлива для определения отклонения его оси от вертикали определяется посредством инклинометра, что повышает точность измерения уровня топлива при эксплуатации транспортного средства, например, при движении и/или в условиях повышенной вибрации.
В памяти электронного блока управления хранятся табличные зависимости плотности от скорости ультразвука и температуры для разных типов топлива.
Электронный блок управления обеспечивает передачу вычисленных значений плотности, уровня, угла наклона и температуры в систему учета топлива по интерфейсу RS-485.
Система учета, используя полученные от заявленного датчика уровня топлива значения уровня, плотности и температуры, на основании градуировочной таблицы резервуара/бака вычисляет объем и массу топлива.
Заявленная полезная модель позволяют  улучшить точностные параметры расчета массы и объема топлива в системах контроля топлива за счет увеличения в два раза точности измерения уровня из-за применения новой элементной базы (замена  аналоговой электроники на современную цифровую - применение  цифровых фильтров, преобразования Фурье, интерполяции, увеличение частоты преобразования АЦП) и применения инклинометра (измеритель угла наклона) для определения отклонения оси датчика от вертикали, что позволяет расширить функциональные возможности датчика уровня топлива из-за более точных результатов измерения во время движения, ускорения, торможения и крене транспортного средства.
Наличие заглушки дополнительно обеспечивает проведение периодической поверки устройства без его демонтажа, а герметизация эпоксидной смолой - обеспечивает работоспособность датчика уровня топлива при погружении его в техническую воду, что также в целом расширяет функциональные возможности заявленной полезной модели.