Датчики топлива в системе мониторинга «Навигатор +»

Одной из главных задач владельца автопарка является учёт расходов на топливо. При этом часто приходится сталкиваться с различными махинациями. Перечислим их основные виды:

• Слив топлива. Наиболее простой способ для автомобилей с большими топливными баками. Топливо просто сливается из бака в личную ёмкость в необходимом количестве.
• Слив топлива из обратной топливной магистрали. Это хлопотный в исполнении и сложный для выявления способ.
• Недолив топлива. Происходит во время заправки. При этом возможны варианты присвоения недолитого топлива — слив в отдельную емкость или договорённость о непосредственной обналичке недолива с оператором АЗС (оплачивается чек на больший объем топлива, чем заливается в бак, а разница присваивается). Недолив является также основным средством при махинациях с топливными картами, если они используются на предприятии.
• Покупка (или получение) неподотчетного чека. В этом случае присваиваются деньги за несостоявшуюся заправку.
• Выработка топлива на холостом ходу. Этот вариант характерен для работы на строительной или спецтехнике, когда топливо списывается по затратам на рабочий нормо-час, а холостой ход потребляет незначительное количество топлива.

Во всех случаях владелец оплачивает неизрасходованное топливо, стоимость которого может быть высокой. Система мониторинга «Навигатор Плюс» позволяет выявить все перечисленные махинации. Принцип действия системы основан на накоплении данных об уровне топлива и их последующем анализе: детектировании заправок и сливов, вычислении расхода за период, составлении отчетов. Сопоставляя полученные отчеты с данными системы учета предприятия, владелец осуществляет контроль.

Отправной точкой мониторинга является получение исходных данных об уровне топлива в баке транспортного средства. Следующий раздел посвящен обзору различных способов решения этой задачи.

Исходные данные

Подавляющее число баков оборудовано датчиками уровня топлива, показания которых можно непосредственно использовать в системе мониторинга. В случае если штатный датчик отсутствует, неисправен или его точность неудовлетворительна, для решения задач мониторинга в топливный бак автомобиля устанавливается датчик уровня топлива емкостного типа, имеющий гарантированно более высокое качество и точность измерений. Для учета расхода топлива на автомобилях с газобаллонным оборудованием используется датчик управляющих сигналов форсунок. В этом случае осуществляется мониторинг за фактическим расходом топлива, а не за его уровнем в баллоне.

На основе отчётов, формируемых системой мониторинга, принимаются решения о махинациях с топливом и предъявляются претензии. Поэтому достоверность оценки играет основополагающую роль с точки зрения обоснованности этих претензий. Соответственно, главная характеристика любого датчика – точность измерения уровня или расхода топлива. Далее рассмотрим особенности датчиков и способов их использования, определяющие точность исходных данных.

Использование аналогового сигнала штатных датчиков уровня топлива

Аналоговый сигнал от штатного датчика подается непосредственно на вход трекера и преобразуется в соответствии с калибровочной функцией управляющей программы в уровень топлива в баке. Ошибки измерения при этом в основном связаны с конструктивными особенностями датчика. Рассмотрим конструкцию типового датчика, использующего для измерений реостат:

Рис. 1

На рис. 1а показан датчик использующий реостат с проволочным резистором, а на рис. 1б — реостат с напылённым резистором. К оси вращения ползунка 2 реостата подсоединён рычаг с поплавком. Поплавок, находясь на поверхности топлива в баке, изменяет сопротивление реостата в соответствии с текущим уровнем залитого топлива. Далее сопротивление с помощью электронной схемы преобразуется в напряжение или ток, который отклоняет стрелку индикатора уровня на приборной панели ТС. В современных автомобилях могут использоваться более продвинутые индикаторы, но сути измерений это не меняет.

Основные факторы, влияющие на ошибки измерений:

• Износ датчика. В процессе эксплуатации механические элементы реостата изнашиваются из-за вибраций, тряски, перемещения ползунка по резистивному элементу, а также попадающей в подвижные части грязи.
• Качество контактов в электрической цепи. На этот фактор также влияют условия эксплуатации, т.к. со временем электрические контакты окисляются, загрязняются и изнашиваются, изменяя общее сопротивление цепи.
• Паразитные колебания уровня топлива в баке вследствие движения автомобиля, а также уклонов участков дорог и мест парковок. Влияние геометрических пропорций бака на точность измерений. Этот пункт нуждается в дополнительных пояснениях, приведённых ниже.
• Прочие нестабильности — напряжения бортовой сети, электрические наводки от силовых агрегатов автомобиля и прочих факторов, имеющие ничтожное значение.

Одним из основных факторов недостоверности измерений является паразитные колебание уровня топлива в баке. Рассмотрим с чем это связано. На рис. 2 показано изменение уровня топлива в баке при его наклоне относительно горизонтальной плоскости в одном из направлений.

Рис. 2

Наклон не влияет на уровень топлива в середине бака (в точке 0), а по краям бака его изменение максимально. Поэтому для исключения влияния крена автомобиля (и соответственно его топливного бака) измерения уровня топлива должны производиться непосредственно в геометрическом центре бака (на осевой линии через точку 0). Для рассмотренной конструкции точка измерения находится в месте касания поплавком поверхности топлива. Это место, как правило, не совпадает с геометрическим центром и при крене автомобиля возникают ошибки определения уровня топлива в баке. Чем дальше отстоит точка касания от центра бака, тем больше ошибка, возникающая из-за этого отклонения. График на рисунке 2 справа показывает зависимость ошибки от расстояния до центра. Главная неприятность возникновения этой ошибки, это то, что её невозможно исключить, так как она является результатом заводской конструкции топливного бака и его компонентов. Для водителя ошибки, связанные с креном автомобиля, проявляются как незначительное временное изменение уровня топлива в баке на индикаторе уровня в моменты, когда автомобиль движется по холмистой местности, или припаркован с креном (например, на высоком бордюре). Программа мониторинга может воспринять эти ошибки как полезное изменение уровня топлива и при формировании отчёта выдать ошибочные результаты.

Геометрические пропорции топливного бака также имеют немаловажное значение для точности измерений. Рассмотрим два топливных бака, имеющих одинаковые размеры в горизонтальной плоскости, но разные по высоте. Такие баки имеют одинаковые периметры и разумно предположить, что колебания топлива, вызванное поступательным движением автомобиля и его креном будут для этих баков одинаковы. Однако относительно высоты доля этих колебаний будет различной и для высокого бака она будет ничтожной по сравнению с плоским баком. Практическим подтверждением значительных погрешностей для таких баков является наш опыт подключения датчиков автомобилей «Газель», имеющих небольшие плоские баки.

Существенным недостатком поплавковых конструкций является наличие “мёртвой” зоны измерений. Это связано с тем, что поплавок имеет ограничение по высоте своего всплытия. При заправке с переливом этой зоны датчик теряет чувствительность к изменению уровня, до тех пор, пока он не упадёт ниже мёртвой зоны. В результате расход этого части объёма топлива останется неучтённым.

В целом, использование аналогового сигнала штатного датчика является наиболее бюджетным вариантом, но сопряжено с существенными ошибками измерения, составляющими 5–7%.

Использование цифрового сигнала штатного датчика при подключении по шине CAN автомобиля

Современный автомобиль содержит в своей конструкции много сложных электронных блоков. Все блоки объединяются и управляются электронным блоком управления по высокоскоростной шине CAN, ставшей стандартной для современных автомобилей. Подавляющее число моделей автопрома формируют и передают по шине CAN сообщение об уровне топлива в баке от ЭБУ к приборной панели, где оно визуализируется. Если трекер “понимает” протокол таких сообщений, то он может перехватить их и передать в программу мониторинга. Перехват происходит прозрачно для бортового компьютера, так как трекер только “слушает” сообщения на шине CAN.

По сути, для этого варианта подключения информация об уровне топлива по-прежнему снимается штатным датчиком, но его аналоговый сигнал преобразуется в уровень топлива не трекером, а бортовым компьютером автомобиля или одним из специальных контроллеров. Поскольку производитель знает все особенности подключения датчика уровня топлива и конструкцию топливного бака, он учитывает это в процессе преобразования, что позволяет существенно снизить ошибки измерений. В результате на шине CAN формируется сообщение об уровне топлива непосредственно в литрах или процентах от объёма бака.

Подключение штатного датчика по шине CAN заметно уменьшает ошибки измерений, но, к сожалению, доступно не на всех автомобилях. Также необходимо отметить, что данный вариант подключения не исключает наличие мертвой зоны измерения уровня, как и при использовании аналогового сигнала штатного датчика.

Датчики уровня топлива емкостного типа

Дальнейшее уменьшение ошибок измерения уровня топлива можно достичь за счет установки в топливный бак высокоточного датчика уровня топлива емкостного типа. Конструктивно он представляет собой цилиндрический конденсатор, состоящий из соосных трубок, одна внутри другой (рис. 3). Принцип работы емкостного датчика основан на существенной разнице диэлектрических проницаемостей воздуха и топлива, заполняющих пространство между трубками. Чем выше уровень топлива в баке, тем больше ёмкость конденсатора. Встроенный в датчик контроллер измеряет и преобразует эту ёмкость в выходной сигнал, который подается на вход трекера. Трекер преобразует параметры сигнала в уровень топлива в баке, используя калибровочную функцию.

Рис. 3

Как видно из формулы для расчёта емкости цилиндрического конденсатора рисунка, она пропорциональна диэлектрической проницаемости заполняющего его диэлектрика ε и высоте h конденсатора. Емкость заполненного датчика превышает емкость пустого в ε раз. Для дизельного топлива значение ε=4.

Главное преимущество емкостного датчика — отсутствие подвижных деталей, влияющих на результат измерения. Кроме того, контроллер, производящий измерения, конструктивно совмещён с объектом измерения (конденсатором). При этом возможные ошибки из-за воздействия внешних факторов минимальны.

На практике выбор емкостного датчика для учёта топлива может быть единственным приемлемым вариантом, если автомобиль оборудован несколькими баками. Как правило, штатный датчик устанавливается на основной топливный бак и показывает его уровень. Уровень в резервном баке неизвестен. Топливо из резервного бака перетекает (или перекачивается) в основной бак, нарушая понимание процесса расхода топлива системой мониторинга. В таких случаях емкостной датчик устанавливается в каждый из баков, а результаты их замеров суммируются.

Иногда топливный бак имеет протяжённую в продольном направлении форму и оптимальное для установки место занято. Если установить датчик ближе к краю, то на его показания будет сильно влиять крен автомобиля. В этом случае можно найти два удобных для установки места, расположенных симметрично относительно геометрического центра бака. Далее в эти места установить два датчика и усреднять их замеры. В этом случае ошибки крена будут исключены или минимизированы.

В целом емкостной датчик обеспечивает низкий уровень ошибок измерения уровня топлива и лишен недостатков, присущих датчикам с механическими элементами.

Сравнение трех типов датчиков топлива

Для сравнения штатного датчика с аналоговым выходом с емкостным датчиком на рисунке 4 представлены графики уровня топлива для автомобиля «Газель». Вверху показаны результаты для штатного датчика, внизу для емкостного. Как видно, величина ошибок измерения штатным датчиком зависит от уровня топлива в баке, достигая 5–10 литров для низкого уровня топлива. После установки на автомобиль емкостного датчика качество измерений существенно улучшилось, что видно из графика внизу — ошибки измерений в данном случае порядка 1-го литра.

Рис. 3

На рис. 5 представлены графики для автомобиля VW Caddy, с непосредственным аналоговым подключением штатного датчика (вверху) и того же датчика, используя шину CAN (внизу).

Очевидно, что графики расхода топлива для непосредственного подключения к штатному датчику имеют более зашумлённый характер. Точность измерения уступает вариантам подключения по шине CAN и к емкостному датчику. Максимально достоверные измерения получаются при использовании емкостного датчика.

Рис. 3

Ниже приведена таблица с основными характеристиками вариантов подключения датчиков, их плюсы и минусы и рекомендации по применению в зависимости от типов автомобилей.

Рассмотренные варианты подключения датчиков уровня топлива учитывают различные требования пользователей к системе учета топлива. При этом любой из вариантов позволяет сэкономить расходы предприятия на топливо и дисциплинировать водителей.