Что такое датчик уровня топлива

Датчик уровня топлива (ДУТ) — устройство для оперативного и точного контроля высоты столба топлива в баке. На основании этих данных платформа GPS-мониторинга вычисляет:

• количество топлива в баке
• расход топлива за период
• средний расход топлива, например, литров на 100 км
• заправки или сливы топлива

Сфера применения

Датчики уровня топлива используются на стационарных и передвижных объектах. К стационарным объектам относятся, например, резервуары с топливом на АЗС. В качестве передвижных объектов выступают транспортные средства: автомобили, тепловозы, корабли и т.д.


Типы датчиков уровня топлива

По состоянию на 2018 год наиболее распространенными являются следующие типы ДУТов:

• Штатные
  • Поплавковый
    Также известен как "потенциометрический"
• Отдельно устанавливаемые
  • Емкостной
    Происходит от термина "диэлектрическая емкость", а не в понимании "емкость как объем"
  • Ультразвуковой

Поплавковый датчик, как правило, является штатным (встроенным в автомобиль на заводе), и используется для отображения относительного уровня топлива на приборной панели автомобиля. Назначение этого датчика – показывать примерный уровень топлива в баке водителю. Поэтому он не является высокоточным, на практике его относительная погрешность может доходить до 10-30%.

Емкостный и ультразвуковой датчики относятся к высокоточным инструментам контроля топлива в системах управления автопарками. Они устанавливаются не на заводе, а дополнительно – интеграторами систем спутникового мониторинга. Относительная точность таких датчиков – в пределах 1-2%.

Емкостной ДУТ

Емкостной ДУТ устанавливается в бак автомобиля по инициативе владельца транспорта. Основная мотивация для установки — учет израсходованного топлива и фиксация фактов хищения.

Принцип работы: емкостной ДУТ представляет собой электрический конденсатор

Исполнение: измерительная часть – это две не соприкасающиеся трубки, вставленные одна в другую (реже – трубка и внутренняя струна). Трубки выполняют роль обкладок конденсатора. Вверху обе трубки прикреплены к плате датчика.

На трубки подается электрический ток. При этом топливо выполняет функцию диэлектрика электрического конденсатора. Поверхности двух трубок-электродов не соприкасаются, а промежуток между обкладками свободно заполняется топливом при погружении датчика и так же свободно освобождается при уменьшении уровня топлива (так что уровень топлива в трубках точно соответствует уровню топлива в баке).

Поскольку топливо заполняет пространство между обкладками конденсатора (трубками датчика), его электрическая емкость изменяется. Например, бензин имеет меньшее удельное электрическое сопротивление, чем воздух. Значит время заряда будет сокращаться. Чем выше будет уровень бензина между трубками, тем быстрее зарядится конденсатор.

Подсчет времени зарядки ведется на плате датчика. На основании этой информации вычисляется высота столба топлива в ДУТе и в баке. Эта информация передается от датчика в GPS-терминал – модулируется в виде напряжения (аналоговый ДУТ), частоты (частотный ДУТ) или в оцифрованном виде (цифровой ДУТ).

Емкостный ДУТ подключается к GPS-трекеру. Данные измерений емкостного ДУТа передаются в систему мониторинга, как правило, вместе с очередным пакетом данных о местоположении.

Ультразвуковой ДУТ

Принцип работы:
Датчик представляет собой УЗИ-излучатель с проводом для соединения с GPS-трекером. Излучатель закрепляется с внешней стороны дна бака и генерирует импульс ультразвуковой частоты. Пройдя через металлическое дно бака и толщу топлива, сигнал отражается от раздела сред «топливо-воздух». Отраженный сигнал улавливается этим же излучателем. На основании времени между отправкой импульса и возвратом отраженного сигнала вычисляется высота столба топлива в баке.

Ультразвуковой ДУТ подключается к GPS-трекеру. Данные измерений ультразвукового ДУТа передаются в систему мониторинга, как правило, вместе с очередным пакетом данных о местоположении.

В реальных условиях эта технология зарекомендовала себя не очень хорошо по причине сложного монтажа (влияют много факторов, которые приходится учитывать "на месте"):

• Датчик крепится к дну бака на специальный эпоксидный клей (в комплекте) или с помощью металлической ленты вокруг бака. Должен обеспечиваться идеальный контакт датчика с поверхностью бака. Если такого контакта нет, УЗИ волны распространяются с искажениями, что влияет на точность измерений.
• Непредсказуемое наличие в баке перегородок. Наличие перегородок (служат для уменьшения колебаний топлива) и материал, из которого они сделаны, могут влиять на распространение УЗИ сигналов и, как следствие, на показания датчика. Нужно подбирать место крепления датчика "на удачу".
• Бугристая внутренняя поверхность бака. Пупырышки и бугорки на внутренней поверхности дна бака искажают и рассеивают УЗИ сигнал. Это снова приводит к неточностям.
• Наличие мусора и воды на дне бака. Со временем на дне бака скапливается мусор, вода (зимой – лед), которые плавают и мешают УЗИ сигналу, из-за этого образуется обманчивое представление о меняющемся уровня топлива.

На практике ультразвуковой ДУТ имеет смысл применять только для автомобилей, переведенных на газ. У таких автомобилей отсутствует возможность использовать другие типы ДУТов.


Как подобрать подходящий ДУТ

Емкостный и ультразвуковой ДУТы выбираются по следующим параметрам:

• размеры бака (принципиальное значение имеет высота)
• интерфейс подключения

Размеры бака

Для установки емкостного ДУТа важны высота и форма топливного бака. Поэтому стоит уточнить эти параметры у клиента хотя бы примерно.

Длина измерительной части ДУТа должна быть чуть больше высоты бака (если датчик короче высоты бака, то он не сможет измерять малый объем топлива). Излишки измерительной части ДУТа обрезаются в процессе монтажа так, чтобы датчик почти касался дна бака – оставляют 3-4 см для исключения короткого замыкания мусором (стружкой, водой) на дне бака.

Обычно производители ДУТов предлагают датчики с длиной измерительной части от 0,7 до 3 метров, в зависимости от модели устройства. Для баков большинства автомобилей достаточно ДУТа с длиной измерительной части 0.7 метра.

Несколько ДУТов на одной машине

Установка нескольких ДУТов на одно транспортное средство требуется в следующих случаях:

• Несколько топливных баков на одном ТС. Например, на фурах обычно установлено 2 бака, на вездеходах — 3 бака. В этом случае только установка ДУТов во все баки дает полную информацию об уровне топлива. В системе мониторинга информацию можно показывать отдельно по каждому ДУТу или показывать сразу сумму всех показаний.
• Топливный бак имеет сложную форму. Например, это может быть бак с возвышением в центре, образующим два несообщающихся "кармана". Баки такой формы встречаются на сельхозтехнике. В таком случае установка двух (или более) ДУТов повышает точность измерений. В системе мониторинга показания установленных в один бак ДУТов можно усреднить. Для полноценного контроля топлива требуется установить в каждый бак и в каждую секцию бензовоза отдельный ДУТ. Для этого рекомендуется использовать ДУТы с интерфейсом подключения RS-485 (т.к. в отличие от RS-232 обеспечивается возможность подключения нескольких ДУТов).
  
• Топливный бак имеет сильно вытянутую форму. Например, на автотрейлерах, поездах. Тогда даже незначительные колебания топлива в баке (в смысле высоты) сильно влияют на показания датчика (в смысле объема), и приходится устанавливать два и более датчиков в разных концах бака (например, по диагонали). Показания этих ДУТов затем усредняются. Бак может иметь вытянутую форму и малую высоту (10-15 см). В этом случае стоит рассмотреть возможность контроля топлива с помощью CAN-данных. Такая форма бака часто встречается на легковых автомобилях.
  

Интерфейс подключения

Если транспорт клиента уже оборудован трекером, то стоит уточнить марку/модель трекера. Без этой информации точно сказать, какой ДУТ можно подключить к имеющемуся трекеру, невозможно. После выяснения названия трекера нужно посмотреть какие его интерфейсы поддерживаются. Сделать это можно в разделе "Устройства". Далее ДУТ подбирается исходя из доступных интерфейсов. При наличии у трекера и цифрового, и аналогового интерфейса стоит рекомендовать установить ДУТ с цифровым интерфейсом (например, RS-485)

Если оснащение трекерами транспорта будет происходить вместе с установкой ДУТов, то стоит рекомендовать трекеры и ДУТы с цифровыми интерфейсами (например, RS-485).


Процесс установки ДУТа

Установка ДУТа в 100% случаев выполняется партнерами. Клиенты, как правило, не обладают квалификацией, опытом и желанием устанавливать ДУТы самостоятельно. Причины нежелания не только технические, но и организационно-социальные (препятствие нововведениям по контролю, саботаж и вандализм водителей и т.п.).

Чтобы установить ДУТ необходимо иметь:

• Бригаду из 2-х человек (одному сложно, например, демонтировать бак)
• Инструменты
  • Биметаллическую коронку по металлу (часто диаметром 35мм)
  • Угловую дрель
  • Сверла по металлу (часто нитрид-титановые, желтого цвета)
  • Отвертки крестовые и шлицевые
  • Шарнирно-губцевый инструмент (кусачки, пассатижи и т.п.)
  • Ножовку по металлу или трубкорез
  • Заклепщик (для закрепления ДУТа на толстостенных баках)
• Оборудование для тарировки
  • Трубку для тарировки
  • Мини-АЗС – портативную станцию с точным измерением залитого топлива в процессе тарировки
  • Емкости для временного хранения топлива в процессе тарировки (часто используются складные, типа надувных матрасов)
• Расходные материалы – хомуты, провода в гофре, пломбы, термоусадочные колпачки и т.д. и т.п.
• Ноутбук – для проведения калибровки, тарировки
• УНУ – устройство настройки (соединяет ноутбук и плату ДУТа); как правило имеет специализированные разъемы, подходящие только к датчикам какого-то одного производителя; поэтому для подключения к датчикам другого производителя нужно или другое УНУ или соответствюущие переходники.

Как правило, профессиональные установщики имеют специальный автомобиль-техничку. В нем находятся емкости для слива топлива и станция для перекачивания топлива

Помимо оборудования нужно иметь теоретическую подготовку и опыт решения нестандартных ситуаций.

А теперь посмотрим внимательно на процесс установки каждого типа ДУТа.

Ультразвуковой ДУТ

Для установки нужно зачистить участок снаружи дна бака, приклеить туда ДУТ и закрепить его хомутом, надетым вокруг бака. После этого к ДУТу подключается электропитание, производится тарировка.

1. Ультразвуковой ДУТ устанавливается снаружи на дно топливного бака. Для установки выбирается геометрический центр дна бака. Например, если дно имеет прямоугольную форму, то геометрический центр находится в месте пересечения диагоналей, проведенных между углами прямоугольника.
   
2. Дно бака в месте установки зачищается до металла наждачной бумагой.
3. На ультразвуковой ДУТ наносится клей, улучшающий отправку и прием ультразвукового импульса и закрепляющий ДУТ на дне бака. Клей идет в комплекте с ДУТом.
4. Датчик с нанесенным гелем плотно прижимается к месту установки и закрепляется хомутом, надетым вокруг бака.
5. ДУТ подключается к к бортовой электросети автомобиля и к компьютеру. Для этого используется специальный переходник. На компьютер устанавливается ПО для настройки ДУТа.
6. Выполняется тарировка.
7. ДУТ отключается от компьютера и подключается к трекеру.

Время работы — примерно 4 часа.

Емкостный ДУТ

Чтобы установить емкостный ДУТ нужно снять и выпарить топливный бак, проделать вверху бака отверстие, вставить в него измерительную часть ДУТа и закрепить ДУТ саморезами к поверхности бака. После этого к ДУТу подключается электропитание, производится калибровка и тарировка.

1. Перед установкой из бака требуется слить все топливо. Затем необходимо избавиться от паров топлива, сохранившихся в баке после слива топлива. Если этого не сделать, то при сверлении отверстия из-за искры произойдет взрыв (особенно после бензина). Для этого бак демонтируется, в него заливается вода, сливается (повторить), и затем выпаривается (процесс называется "выпаривание бака").
2. Для установки выбирается геометрический центр бака.
3. В геометрическом центре бака делается отверстие, металлическая стружка не должна попасть в бак.
4. Измерительная часть ДУТа подрезается чуть короче, чем высота бака — так топливо сможет свободно попадать между трубками бака. Для подрезки используется трубкорез или ножовка по металлу.
5. Выполняется калибровка. Это позволит ДУТу узнать свою новую длину, после подрезки. Для этого ДУТ переворачивается измерительной частью вверх и полностью заполняется топливом. Через 1-2 минуты топливо сливается.
6. Емкостный ДУТ устанавливается в сделанное отверстие так, чтобы измерительная часть находилась внутри бака, а плата с интерфейсным кабелем — снаружи.
7. Датчик закрепляется к поверхности бака саморезами. Для саморезов в металлическом основании верха датчика, на котором закреплена плата, предусмотрены отверстия.
8. ДУТ подключается к бортовой электросети автомобиля и к компьютеру. Для этого используется специальный переходник. На компьютер устанавливается ПО для настройки ДУТа.
9. Выполняется тарировка.
10. ДУТ отключается от компьютера и подключается к трекеру. Монтаж трекера закончен.

Время работы – примерно 4 часа. Обучающее видео от Omnicomm (10 минут)


Подключение к CAN-шине

Чтобы подключиться к CAN-шине, нужно сперва отыскать ее в автомобиле. CAN-шина – это два провода, свитых в витую пару. В автомобиле много проводов, да и CAN-шина может быть не одна. Поэтому отыскать нужную CAN-шину без документации о том, где она проходит, очень сложно.

Когда ее нашли, то для считывания данных используется "CAN-крокодил" (рекомендуется) или подключаются прямо к медным проводам (менее предпочтительно).

Общий порядок подключения к CAN-шине:

1. Предварительно требуется узнать марку, модель и год выпуска автомобиля, к CAN-шине которого требуется подключиться.
2. Далее по таблице проверяем, передается ли уровень топлива в CAN-шине этого автомобиля. Если не передается, то дальнейшие пункты не имеют смысла.
3. Узнаем CAN-модуль какой марки совместим с трекером клиента. Это можно посмотреть, например, на сайте производителя трекера.
4. Выбираем модель CAN-модуля. Для разных категорий транспорта и спецтехники могут использоваться разные модели CAN-модуля. Например, при подключении трекеров Teltonika к легковым автомобилям используется CAN-модуль LV-CAN 200, а для грузовиков — ALLCAN 300.
5. Запрашиваем у продавца CAN-модуля схему подключения к нашему автомобилю. Для этого указываем марку, модель, год выпуска ТС. Ответ со схемой, как правило, приходит в течение 30 минут.
6. CAN-модуль подключается к CAN-шине согласно схеме.
7. CAN-модуль подключается к бортовой электросети автомобиля и к компьютеру. Обычно используется кабель mini USB-USB.
8. В ПО для настройки CAN-модуля задается номер программы, указанный в схеме подключения.
9. CAN-модуль отключается от компьютера и подключается к трекеру.
10. Выполняется упрощенная тарировка

Способы подключения ДУТа к трекеру

По состоянию на 2018 год наиболее часто используются следующие типы подключения ДУТа к трекеру:

• Для штатных датчиков:
  • по аналоговому интерфейсу
  • получение данных штатного ДУТа через CAN-интерфейс
• Для дополнительно установленных датчиков:
  • по аналоговому интерфейсу
  • по частотному интерфейсу
  • по цифровому интерфейсу:
    • RS-232
    • RS-485
    • по CAN-подобному интерфейсу
    • по радиоканалу Bluetooth
    • по другому радиоканалу

Аналоговый интерфейс

Оборудование: Аналоговый ДУТ, трекер с аналоговым входом

Особенности: Данные об уровне топлива в баке передаются в GPS-трекер в виде уровня напряжения (разности потенциалов между выходом датчика и массой, постоянный ток). Например, чем больше уровень топлива, тем больше разность потенциалов. К примеру, 1V — пустой бак, 10V – полный бак. Для преобразования значения напряжения в литры проводится тарировка.

Изгиб ДУТа
При установке в бак сложной формы измерительную часть ДУТа можно загнуть 1 раз на угол не более 70 градусов с помощью трубкогиба. Такие ДУТы делает, например, компания Автосенсор.

CAN-подобная шина S6
Компания Технотон продвигает идею единого интерфейса подключения штатных и дополнительных датчиков (в том числе ДУТов). В качестве единого интерфейса компания Технотон предлагает использовать CAN 2.0. В рамках реализации идеи под маркой Технотон выпускаются ДУТы (и ряд других измерительных датчиков), подключаемые к CAN-шине автомобиля. Эти датчики передают информацию по CAN-шине так же, как это делают штатные CAN-датчики автомобиля.

Такой подход имеет ряд преимуществ. Например, это фактически снимает ограничение на количество подключаемых датчиков к одному трекеру. Однако стоимость ДУТов (и других измерительных датчиков) с CAN-интерфейсом существенно выше аналогичных устройств с другими интерфейсами подключения. Поэтому данная технология не получила широкого распространения.

Взрывозащищенное исполнение
Некоторые нормативы и правила безопасности требуют установки ДУТ во взрывозащищенном исполнении. Например, в случае с бензовозом для секций с топливом допускается устанавливать только такие ДУТы.

Эти ДУТы имеют особую конструкцию, которые обеспечивают дополнительную пожаро- и взрывобезопасность. Они проходят дополнительные сертификационные испытания (выдается сертификат).

Встроенный GPS-трекер в ДУТ
С 2016 года некоторые производители придумали встраивать GPS-трекер прямо в "голову" датчика. Таким образом, если нужно контролировать только положение и топливо, нужно установить только одно устройство – это преимущество. Недостатком является то, что это ограничивает (но не исключает!) возможность подключения другого оборудования к такому трекеру-датчику "2-в-1". Также любое универсальное решение является компромиссом: функции собственно трекинга в нем могут быть реализованы не так хорошо, как в полюбившихся трекерах.

Калибровка
После обрезки измерительной части емкостного ДУТа ему нужно указать новые минимальное и максимальное значения. Суть процесса – замерить показания датчика в пустом баке и в полном баке (полностью погруженным в топливо используемого в автомобиле типа).

Это делается подручными средствами либо с помощью трубы-резервуара. Считается, что второй способ предпочтительнее, т.к. он полностью эмулирует реальную ситуацию (когда вокруг трубок датчика тоже находится топливо), но первый проще и не нужно с собой возить воняющий топливом резервуар. В реальности значения при калибровке меняются незначительно и, как правило, не принципиальны на практике (хотя некоторые интеграторы готовы поспорить с этим).

Калибровка подручными средствами

1. ДУТ подключается к компьютеру и переворачивается измерительной частью вверх («головой» ДУТа — вниз)
2. Пространство между трубками заполняется топливом (топливо просто заливается сверху, в трубку)
3. После стабилизации уровня в ПО-конфигураторе ДУТа указывается, что это новый максимальный уровень ДУТа.
4. Топливо полностью сливается из измерительной части ДУТа.
5. После стабилизации уровня в ПО-конфигураторе ДУТа указывается, что это новый минимальный уровень ДУТа

Калибровка с помощью трубы-резервуара
Для этого способа потребуется заранее подготовить пластиковую трубу, например, от водопроводной канализации. Внутренний диаметр трубы около 50мм, длина — около 700мм. Один конец трубы герметично закрывается, получается резервуар для топлива. Некоторые производители поставляют ДУТы в упаковке в виде трубы-резервуара. Калибровка происходит так:

1. Труба-резервуар ставится незапаяным концом вверх и закрепляется в таком положении
2. Труба-резервуар заполняется топливом
3. ДУТ подключается к компьютеру и опускается в трубу-резервуар
4. После стабилизации уровня в ПО-конфигураторе ДУТа указывается, что это новый максимальный уровень ДУТа
5. ДУТ извлекается из трубы-резервуара
6. После стабилизации уровня в ПО-конфигураторе ДУТа указывается, что это новый минимальный уровень ДУТа

Тарировка
Тарировка требуется для преобразования показаний ДУТов из условных единиц или вольт в литры/галлоны.


Полная тарировка
Примерный порядок тарировки:

1. В бак заливается точно отмеренное количество топлива. Это называется пролив. Например, 20 литров. Рекомендуется заливать не более 1/10 (лучше – 1/20) от объема топлива за один пролив. То есть тарировочная таблица должна содержать не меньше 10 значений (лучше 20).Чтобы точно отмерить нужное количество топлива установщики ДУТов используют различные методы. Например:
   — Перекачивают топливо в бак тарируемого автомобиля насосом со счетчиком прокаченного топлива
   — Приезжают на АЗС и заправляют нужное количество топлива в бак тарируемого автомобиля.
2. На экране компьютера, к которому подключен ДУТ в ПО для настройки ДУТа смотрят текущие показания ДУТа. Результат заносят в тарировочную таблицу в виде пары чисел: значение датчика — количество литров топлива в баке.
3. Выполняют следующий пролив, результаты также заносят в таблицу. Проливы повторяются, пока бак не будет полностью заполнен топливом.
4. Если бак имеет сложную форму, то в местах изменения формы размер пролива рекомендуется уменьшить вдвое.
5. Готовую тарировочную таблицу заносят в систему мониторинга (Управление устройствами => Датчики и кнопки => Добавить измерительный датчик). Для некоторых ДУТов тарировочную таблицу можно загрузить из файла. Например, это ДУТы Omnicomm.

Упрощенная тарировка

При контроле топлива с использованием CAN-данных и небольших баков (легковые автомобили, до 100 л) часто применяется упрощенная процедура заполнения тарировочной таблицы. В систему мониторинга добавляется тарировочная таблица всего с двумя значениями:

Значение датчика Величина
0 0 100 Емкость бака в литрах/галлонах, например 150 литров Просмотр данных в системе мониторинга

Для просмотра данных в системе мониторинга потребуется создать измерительный датчик (Управление устройствами => Датчики и кнопки => Добавить измерительный датчик) и внести в него данные тарировки.

В отдельных случаях измерительный датчик создается автоматически. Например, при установке OBD2-трекера.

Виджет
Количество топлива в баке показывается в виджете Топливо или OBD2&CAN

Оповещения
Система мониторинга может оперативно оповещать владельца транспорта о сливах и заправках топлива. Для этого требуется настроить правило контроля "Изменение уровня топлива":

Оповещения будут приходить:

• по СМС
• на email
• в мобильное приложение X-GPS Монитор

Кроме того, оповещения об изменении уровня топлива могут быть заданы как экстренные.

Отчет
История измерений ДУТа доступна в отчете "Объем топлива". На оси абсцисс графика может быть как время (дни/часы для выбранного диапазона дат), так и пройденное расстояние (пробег в км/милях за выбранный диапазон дат).

На графике также можно отразить:

• Скорость движения транспортного средства
• Состояние зажигания

Другие опции отчета:

• Сглаживать график — усредняет несколько полученных значений, что позволяет устранить эффект от незначительных колебаний топлива. Обычно продвинутые ДУТы имеют аналогичный алгоритм усреднения данных внутри своей платы.
• Фильтровать выбросы — устраняет ложные сливы и заправки. При включении опции из отчета исключаются сливы и заправки примерно одного объема, произошедшие в течение получаса.

В итоге, отчет позволяет получить следующие данные:

• Количество и объем заправок
• Количество и объем сливов
• Абсолютный расход топлива — сколько литров было потрачено за выбранный период
• Относительный расход топлива (литров/100 км, литров/час, миль/галлон)

Примечание: При быстром просмотре поездок в приложении "Мониторинг" отображаются данные о расходе топлива не по ДУТу, а по указанному для этого автомобиля значению расхода топлива на 100 км (либо миль на галлон).