Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ДАТЧИК УРОВНЯ ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ МЭМС-ТЕХНОЛОГИИ В СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА ТРАНСПОРТА

Никонова Г.В. 1 Есимханова А.М. 1 Маркелов А.С. 2
1 Омский государственный технический университет
2 ООО «Метеоприбор»
В работе рассматривается спутниковая система ГЛОНАСС, GPS, применяемая для диспетчеризации и решения задач транспортной логистики в системах управления перевозками и автоматизированных системах управления автопарком для контроля фактических маршрутов транспортных средств при помощи спутников. Предлагается модернизация системы учета топлива подвижных устройств с применением датчика технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) в измерительной системе контроля уровня топлива подвижных устройств в системе мониторинга транспорта. Использован алгоритм расчета поправочных коэффициентов, которые учитываются программой управляющего микроконтроллера и вносят поправку в результирующие показания прибора учета потребления топлива в системе реального времени. Исследована возможность МЭМС – датчика для расширения температурного диапазона измерений, получения более линейной зависимости выходной характеристики, при повышении точности и надежности для контроля уровня топлива в спутниковых системах мониторинга транспорта.
глонасс
gps
сеть gsm
спутниковая система
мониторинг
датчик
мэмс-технологии
1. Васильев В.А. и др. Измеритель-калибратор для датчиков давления на основе резистивных нано- и микроэлектромеханических систем // Труды МНТК «Датчики и системы: Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации». – Пенза, 2012. – С. 111–114.
2. Маркелов А.С., Никонова Г.В. Линеаризация выходных параметров датчиков давления. // Инженерные и научные приложения на базе технологий NI NIDays – 2014: Сборник трудов ХIII международной научно-практической конференции, Москва 19–20 ноября 2014 г. – М.: ДМК-пресс, 2014. – С. 241–243.
3. Материалы семинара «Practical design techniques for sensor signal conditioning» [Электронный ресурс] // Пер. ф. АВТЭКС: авт. пер. Б.Л. Горшков / С.-Петербург, 2014. – URL: http://www.sgu.ru/sites/default/files/textdocsfiles/2014/02/09/analog_devices._metody_prakticheskogo_konstruirovaniya_pri_normirovanii_signalov_s_datchika.pdf (дата обращения: 09.02.14).
4. Никонова Г.В., Маркелов А.С. Линеаризация градуировочной характеристики датчика давления // Компьютерные измерительные технологии. Материалы I Международного симпозиума, Москва, 4 апреля 2015 г. – М.: ДМК-пресс, 2015. – С. 290–293.
5. Hardware and software guidelines for use of the lps331ap [Электронный ресурс] // 2012 STMicroelectronics, Doc ID 023639 Rev 3 // AN4159 Application note. – URL: http://freepdfs.net/hardware-and-software-guidelines-for-use-of-the-ps331ap/8f7d53a96d7f6df9adb662aae064be0f/ (дата обращения: 15.11.14).
6. Peter G. Hartwell. Rethinking MEMS sensor design for the masses // Electronic Engineering Times Europe, March 2010. 2 10 kPa Uncompensated Silicon Pressure Sensors [Электронный ресурс] // MPX10, Rev 14, 10. – 2008 / MPX10 Series. – URL: http://cache.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX10.pdf (дата обращения: 08.10.14).

В задаче организации работы транспорта очень важны учет и оптимизация всех связанных с ней издержек. Необходимо постоянно держать все процессы под контролем, оперативно реагировать на нештатные ситуации, минимизировать влияние так называемого «человеческого фактора» – то есть делать все для того, чтобы каждое транспортное средство использовалось максимально эффективно. Использование при решении этих задач современных технологий – таких как спутниковый мониторинг транспорта – позволяет добиваться результатов, попросту недостижимых при работе «по старинке».

На каждое транспортное средство устанавливаются терминалы различных конфигураций, которые с помощью встроенных навигационных приемников, принимающих сигналы спутников ГЛОНАСС и GPS, получают координаты транспортного средства и в режиме реального времени передают их в диспетчерский центр. При этом для связи применяются сети GSM, но также возможна передача протоколов по беспроводной сети Wi-Fi. Информация собирается специальными серверами, предназначенными для хранения и обработки данных. ГЛОНАСС и GPS мониторинг транспорта выполняется диспетчерами через любой веб-браузер, с компьютера, имеющего подключение к сети Интернет. Помимо координат, передаются показания различных датчиков, в том числе и датчиков уровня топлива.

Назначение и принцип работы спутниковой системы мониторинга автотранспорта и учета топлива:

– снижение затрат на содержание автопарка;

– повышение эффективности работы предприятия;

– экономия на ГСМ;

– обеспечение безопасности движения.

Возможности системы мониторинга для любого вида техники: отслеживание транспорта в режиме оnline; контроль истории движения; интерактивные отчёты; уведомления о нарушениях; возможность интеграции с информационными системами.

В частности, система мониторинга грузоперевозок позволит обеспечить контроль маршрута на всем пути следования: стоянки/движение, заправки/сливы, пробег, скорость движения и т.д. Установка дополнительного датчика топлива обеспечит значительное сокращение простоев ТС, повышение безопасности груза на всем пути следования, снижение аварийности – повышение безопасности водителей, сокращение топливных расходов и ГСМ.

Необходимость установки дополнительного датчика уровня топлива обусловлена необходимостью контроля в режиме реального времени заправок и сливов, объема топлива в транспортных цистернах. Контроль заправки и сливов топлива в конечном итоге позволяет определять реальный расход ГСМ при различных рабочих режимах техники. Создание четкого механизма контроля рейсов, точной информации о маршруте и пробеге, учете топлива позволит искоренить «липовые» цифры в документах, приписки пробега и расхода топлива.

Оценка современного рынка уровнемеров в системе мониторинга топливной системы транспорта показала, что он представлен ультразвуковыми, поплавковыми, емкостными зондовыми, оптическими. Датчики МЭМС-технологии применяются, но в данное время в основном только как измерители давления в данном классе (например в шинах) [6].

nikon1.tif

Рис. 1. Спутниковая система мониторинга транспорта

Постановка задачи

Замена уровнемеров, применяемых в современных спутниковых системах мониторинга транспорта и контроля топлива (ультразвуковые, поплавковые, емкостные, оптические и др.), на МЭМС-датчики, как наиболее удовлетворяющие по точности, надежности и габаритам. Перспективы современного приборостроения связаны с созданием приборов, обладающих малыми массой, габаритными размерами, энергопотреблением и себестоимостью при безусловном выполнении целевой функции с заданной точностью. Микромеханические датчики обладают сверхмалыми габаритами, малой массой и энергопотреблением.

Датчик уровня топлива на МЭМС технологии (микроэлектромеханические системы) – устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки. Кремний имеет значительные преимущества перед другими материалами благодаря своим физическим свойствам. Монокристалл кремния почти идеально подчиняется закону Гука. Это означает, что при деформации он не подвержен гистерезису, и, следовательно, энергия деформации практически не рассеивается.

Микроэлектромеханические системы получаются путем комбинирования механических элементов, датчиков и электроники на общем кремниевом основании посредством технологий микропроизводства, при изготовлении которых используются модифицированные технологические приемы микроэлектроники [1]. Все элементы реализованы в виде единого изделия, причем сразу десятками или сотнями, как микросхемы на кремниевой пластине; имеют как цифровые, так и аналоговые выходы; кроме того, многие датчики стали промышленным стандартом в электронике.

Датчики изготавливаются методом поверхностной обработки, предусматривающей осаждение тонких пьезорезистивных пленок на подложку с последующим вытравливанием требуемого рисунка подвижной диафрагмы.

Крупный производитель МЭМС – фирма Motorola – выпускает датчики давления, изготавливаемые методом объемной обработки. Усовершенствование конструкции самого датчика позволило уменьшить размеры чувствительной к давлению пьезорезистивной диафрагмы, а также общую площадь датчика, улучшить чувствительность преобразователя и повысить его робостностъ.

Фирма TNO TPD (Нидерланды) создала термодинамический измеритель направления и скорости потока газов и жидкостей, реализовав с помощью МЭМС-технологии на одном кристалле множество нагревателей и датчиков температуры.

Компания STMicroelectronics NV использует технологию SIP (system-in-package) для изготовления беспроводных МЭМС-изделий с интеграцией в датчики газа, предназначенных для контроля окружающей среды.

МЭМС-изделия компании ST применяются в гироскопах и акселерометрах и базируются на ёмкостных датчиках движения, а датчики контроля окружающей среды изготавливаются на основе мембран.

Применение МЭМС-изделий для спутниковых систем мониторинга транспорта не ограничены рамками систем позиционирования. Использование модифицированного датчика давления МЭМС-технологии в топливной измерительной системе позволит значительно расширить линейку и возможности датчиков для спутниковых систем мониторинга транспорта и, в частности, для контроля потребления топлива.

Решение

Предлагается схема измерительного блока в системе мониторинга транспорта, где в качестве преобразователя мы используем преобразователь гидростатического давления фланцевого монтажа. Преобразователи давления фланцевого монтажа устанавливаются на боковой стенке вблизи дна резервуара или на дне резервуара. Опорное давление – давление над жидкостью. Их преимущество – возможность измерения уровня в закрытых резервуарах с давлением наддува, отличного от атмосферного.

В испытательной установке используется бесконтактный датчик уровня топлива с независимым питанием и защитным корпусом MPXV10 фирмы MOTOROLA [4].

Измеряется давление столба жидкости, зависящее только от его высоты и от плотности самой жидкости. Давление Р вычисляется по формуле:

nik01.wmf, (1)

где g – ускорение свободного падения, p – плотность, h – уровень жидкости.

nikon2.tif

Рис. 2. Структурная схема измерительной системы с МЭМС-датчиком. Входная величина давления Pe; датчик давления – Д; усилитель; аналогово-цифровой преобразователь; микроконтроллер – µС; цифрово-аналоговый преобразователь; отсчетное устройство – ОУ (блок интерфейса); выходной сигнал – ток, напряжение

Проблемным звеном в существующем датчике является температурная нестабильность в динамическом диапазоне [3].

Отсутствие блока термокомпенсации особенно заметно при измерениях на крайних полюсах динамического диапазона, как показано на рис. 2.

Предлагается способ программной реализации термокомпенсации, основанный на расчетах оценки показаний датчика по усреднению данных, как в диапазоне температур, так и во всем динамическом диапазоне с введением поправочных коэффициентов [4].

Квадратичная поправка вычисляется таким образом: задаемся базовой температурой, относительно которой считаются ее вариации. Приращение температуры dT приводит к вариациям истинного давления PИ вида

nik02.wmf, (2)

где PТ – измеренное значение давления, a, b – поправочные коэффициенты.

nikon3.tif

Рис. 3. Зависимость выходного сигнала перепада давления для различных температур

Для их вычисления нужны две опорные точки «давление-температура».

После этого решается линейная система из двух уравнений. Результат – искомые коэффициенты. Эта процедура выполняется однократно самим микроконтроллером. После этого для вычисления истинного значения давления PИ в программе микроконтроллера используется выражение

nik03.wmf. (3)

В каждом измерении берется давление и текущая температура.

Линейная компенсация колебания давления от температуры реализуется в контроллере посредством данных от 3 калибровочных точек методом кусочно-линейной аппроксимации (PWL).

Более высокая степень точности (меньшее колебание давления при изменении температуры) достигается программой, оперирующей теми же калибровочными данными (после кусочно-линейной компенсации), заложенными в памяти контроллера, посредством квадратичной компенсации (полиноминальная аппроксимация второго порядка).

Алгоритм вычислений следующий.

Задаем параметры базовых точек P1, P2,P3 при Т0 = 10 °С.

Составляем систему трех уравнений относительно неизвестных a, b, c:

nik04.wmf;

nik05.wmf;

nik06.wmf. (4)

Решаем систему матричным методом, где искомые параметры – коэффициенты квадратичного уравнения:

nik07.wmf. (5)

Решение системы уравнений для кусочно-линейной аппроксимации (PWL) запишем в виде

nik08.wmf

nik09.wmf. (6)

Здесь коэффициенты линейного уравнения:

nik10.wmf,

nik11.wmf. (7)

Если d1 = d2 = c, то решение линейного уравнения следующее:

nik12.wmf

nik13.wmf. (8)

В итоге коррекция выходного давления рассчитывается в температурном диапазоне:

nik14%d0%b0.wmf, (9)

где PTK – выходное давление с учетом температурной компенсации, PD – давление на выходе датчика некомпенсированное, TD – температура на выходе датчика.

Таким образом, мы получаем поправочные коэффициенты, которые учитываются программой управляющего микроконтроллера и вносят поправку в результирующие показания прибора.

Сравнительный анализ методов показывает, что:

а) метод кусочно-линейной аппроксимации дает погрешность ?P = ± 2 mBar; в диапазоне температур (от порядка + 5 °С до + 70 °С).

б) метод полиноминальной аппроксимации компенсирует ошибки показаний датчика в широком диапазоне температур (от – 50 °С до + 120 °С) с погрешностью ?P = ± 0,2 mBar.

nikon4.tif

Рис. 4. Погрешность измерения с учетом компенсации температуры методами а и б

Заключение

В спутниковых системах мониторинга транспорта дополнительный датчик уровня топлива с независимым питанием и защитным корпусом обеспечивает постоянное и точное определение объема топлива в баке в системе реального времени. Введение поправочных коэффициентов в режиме термокомпенсации в широком температурном диапазоне измерений, обеспечивает передачу достоверных данных на диспетчерский пункт контроля в системе реального времени [2].

Применение бесконтактного датчика уровня топлива МЭМС-технологии позволит значительно расширить линейку и возможности датчиков данного класса для контроля топлива, как альтернативного «классическим» датчикам (ультразвуковым, поплавковым, емкостным, оптическим и др.).


Библиографическая ссылка

Никонова Г.В., Есимханова А.М., Маркелов А.С. ДАТЧИК УРОВНЯ ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ МЭМС-ТЕХНОЛОГИИ В СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА ТРАНСПОРТА // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 11-2. – С. 198-202;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35702 (дата обращения: 03.12.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074