Какие бывают датчики уровня топлива?

Введение

В мире существует множество различных способов измерения уровня топлива. Многообразие датчиков – уровнемеров весьма велико, — от классических поплавковых до ультразвуковых. Они различаются по принципу действия, конструкции и типу выходного сигнала. Про принципы действия и конструкцию данных приборов можно написать не один десяток статей… Мы же сейчас поговорим о типах выходного сигнала.

Выходной сигнал датчика может быть аналоговым, частотным или цифровым. Рассмотрим их подробнее.

Аналоговый выходной сигнал

Аналоговый сигнал, пожалуй, наиболее часто используется при построении датчиков вообще, и датчики уровня топлива здесь не исключение. Подавляющее большинство штатных поплавковых датчиков уровня имеют на выходе аналоговый сигнал.

Аналоговый сигнал предполагает кодирование значений уровня значениями какой-либо физической величины, чаще всего напряжения или тока. Если говорят, что датчик имеет на выходе аналоговый сигнал от 0 до 10 вольт, то в общем случае это значит, что пустому баку соответствует напряжение 0 В, полному – 10 В, а промежуточные значения напряжения соответствуют уровню от пустого до полного.  Именно простота и универсальность являются основными преимуществами аналогового выходного сигнала.

Например, значение в 6 В соответствует 60% от высоты уровня топлива в баке. Все просто! Как говорится, шесть вольт, они и в Африке шесть вольт. И любой вольтметр или измеритель напряжения (если, конечно, он исправен) покажет, что сигнал равен шести вольтам. Но на этом достоинства аналогового сигнала, пожалуй, и исчерпываются. Давайте же разберемся, почему.

Вся проблема в точности измерения, или говоря научно, в погрешности.

Погрешность в общем случае показывает, насколько отличается наше представление о каком-либо параметре от его реального значения. Проще говоря, как сильно мы ошибаемся в оценке.

Погрешность бывает абсолютной и относительной.

Абсолютная погрешность – это насколько мы ошибаемся, оценивая неточность в единицах измеряемой величины.

Пусть у нас есть бак с топливом и мы считаем, что в нем 20 л. (реально там 24 л.) Абсолютная погрешность в этом случае составляет 4 л. Тоже вроде ничего сложного, только абсолютная погрешность мало что дает. Ну ошиблись мы на 4 литра, и что? Хорошо это или плохо? Если это бак в 40 литров на ВАЗ 2104 – это достаточно много, а если бак в 400 л на каком-нибудь седельном тягаче, то оценка очень даже сносная. Если же это двадцатикубовая емкость, то абсолютная погрешность в 4 литра – это вообще из области фантастики. Поэтому, как правило, оперируют относительной приведенной погрешностью.

Относительная приведенная погрешность – это выраженная в процентах величина ошибки от диапазона измерения. Или, проще говоря, на сколько процентов мы ошиблись. Если рассмотреть наш пример с ошибкой в 4 литра, то для бака объемом 40 литров ошибка составляет 10%, для бака в 400 л. — уже 1%.

Проценты можно сравнивать, можно делать выбор между тем или иным средством измерения. Считается, что чем меньше относительная погрешность, тем выше точность измерения. Вот тут-то и кроется подвох! Состоит он в том, что далеко не все определяется погрешностью измерительного датчика. Нужно учесть еще ряд важных факторов, влияющих на конечную точность измерения. Попробуем с этим разобраться. Автор будет стараться не углубляться в дремучую науку под названием Метрология, а попытается объяснять все простым языком и на примерах. Из-за этого тон моего повествования, возможно, будет не совсем точен, но простят меня уважаемые метрологи из поверочных лабораторий и научных институтов.

Итак, первое, что надо усвоить – погрешность измерения складывается из погрешности всех преобразователей и измерителей, находящихся в канале измерения. Тут же у непосвященного читателя возникает вопрос: «Чему там складываться? Там же только один датчик, и все!» Нет, не все. В измерении уровня топлива присутствует минимум два измерителя. Значение уровня топлива, т.е. миллиметры уровня измеряются датчиком. Это первое измерение. Далее измеренное значение преобразовывается в аналоговый сигнал, и это напряжение передается по проводам и потом измеряется приемником. Это второе измерение.

В итоге погрешность всего измерительного тракта суммируется из погрешности измерителя уровня, измерителя напряжения, да еще к ним иногда надо приплюсовать погрешность преобразования уровня в напряжение, если она не входит в общую погрешность датчика.

И если каждое измерение или преобразование имеет относительную приведенную погрешность в 1%, то общая погрешность составит в худшем случае уже 3%! Это, кстати, объясняет рекомендацию не использовать в одном измерительном канале устройства с разным значением предела основной приведенной погрешности. Не имеет смысла измерять вольтметром с пределом погрешности в 1% сигнал с датчика с пределом погрешности в 0,01%. Это то же самое, что обмерять деревянной школьной линейкой деталь, выточенную на прецизионном станке с ЧПУ, действие бессмысленное.

Как правило, в жизни точность первичного измерения, — у нас это измерение уровня топлива, — хуже, чем точность вторичного измерения, — в нашем случаи это измерение напряжения. Не имеет смысла делать датчик с точностью 0,1% и подключать его к регистратору уровня, имеющему аналоговый вход с точность в 1%.

Второй очень важный момент – ошибочное толкование понятия «точность» и путание разных видов погрешности.

Все производители оборудования, работающие с аналоговыми сигналами, заявляют какие-то параметры точности. Прямо так и пишут «Точность – 0,1%». Кто-то указывает значения погрешностей, например так : «Относительная погрешность — не более 0,5%». Кто-то делает хитрее и указывает только разрядность аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) примерно так : «АЦП — 10 бит, выходное значение — 0 до 1024». Подразумевается, что можно получить значение с точностью около 0,1% (если разделить 1024 значения на 100%). Все это в общем случае только вводит в заблуждение несведущего покупателя. Давайте же попробуем понять, что такое точность и из чего она образуется.

Точность измерения есть сумма основной приведенной погрешности и дополнительной погрешности, вызванной влиянием каких-то факторов.

Про основную приведенную погрешность мы уже немного говорили, поэтому повторно давать ее определение не будем. Она получается из арифметической суммы целого ряда частных погрешностей: погрешности измерения, погрешности дискретизации преобразования, погрешности промежуточных пересчетов, погрешности от нелинейности, от гистерезиса, погрешности калибровки, погрешности временной нестабильности из-за старения элементов и т.д. Понятно, что во всех этих «наворотах» простому потребителю разбираться не имеет смысла, но понимать, что они есть – необходимо. Взять пример с указанием каким-то производителем разрядности АЦП. Это всего лишь указание погрешности дискретизации преобразования. Т.е. АЦП в 10 бит вносит в сумму к основной приведенной погрешности около 0,1%. Но этот же измеритель может иметь нелинейность в 2% или погрешность измерителя, вызванную разбросом параметров радиоэлементов, в 1,5%. И его конечная относительная погрешность будет ну никак не 0,1%! На выходе у такого датчика будет действительно 1024 различных значения, только все они будут отличаться от реального на несколько процентов. Еще одна составляющая основной приведенной погрешности, о которой надо знать – это точность калибровки или преобразования. Если взять довольно точный датчик уровня топлива, для которого прочие составляющие основной приведенной погрешности составляют, к примеру, не более 0,25%, а потом произвести тарировку такого датчика жестяным ведром, купленным в хозяйственном магазине – то какая будет конечная точность измерения объема топлива? Это даже невозможно определить, т.к. на жестяном ведре не проставлен предел основной приведенной погрешности, и оценить его вклад в конечные показания объема вообще нереально. Это же, кстати, относится и к тарировке по двум точкам. Тарировка по двум точкам вообще годится для баков с формой идеального параллелепипеда, коих в природе не бывает. Чем больше отклонения формы от идеальной, тем выше погрешность.

Дополнительная погрешность – это погрешность, вызванная воздействием чего-то извне на измеритель или датчик. Как правило, рассматривают только влияние температуры, т.к. остальные факторы, например, солнечный ветер, влияют ничтожно мало.

Ряд производителей указывают дополнительную погрешность в процентах на каждые 10 градусов. Это означает, что для того, чтобы понять, какая конечная точность будет у измерителя или у датчика при определенной температуре эксплуатации, то надо вычислить дополнительную погрешность и сложить ее с основной. Например, указано, что дополнительная погрешность составляет 0,05% на каждые 10°С. Изменение температуры считается от нормальной, как правило, равной 25 °С. Тогда при температуре окружающей среды -25 °С изменение температуры составит 50 °С, что внесет в точность дополнительно 0,25% ошибки. И если основная погрешность при этом равняется 0,5%, то общая погрешность (или искомая точность) будет 0,75%.

Ряд производителей (например, Омникомм), дабы не утруждать пользователя такой арифметикой, сразу указывают основную приведенную погрешность во всем диапазоне температуры эксплуатации. Т.е. к основной погрешности прибавляют дополнительную, вызванную изменением температуры. И если указано, что погрешность составляет не более 1% во всем диапазоне температур, то значит, при любой температуре суммарная погрешность будет не более этого процента. Хотя, например, при нормальной температуре в 25 °С основная приведенная погрешность такого датчика, без влияния дополнительной, может быть 0,5% или 0,25% или еще меньше. Просто указано сразу наибольшее значение суммы основной и дополнительной погрешностей.

Ряд производителей вообще обходят стороной значения дополнительных погрешностей и их не указывают. То ли считая, что их просто нет (хотя мать-природу с ее законами отменить пока никто не в силах), то ли предоставляя потребителю самому определить в полевых условиях, как же влияет температура на измеритель или датчик. Ну да оставим это на их совести.

Третье, что надо знать – это несоответствие входного диапазона измерителя и выходного диапазона датчика. Это несоответствие также очень сильно влияет на то, какой точности мы в итоге получаем результаты измерения. Надо понимать, что значение основной приведенной погрешности указывается для всего диапазона измерения (собственно, термин «приведенная» это и означает). Если взять очень точную метрологическую стальную линейку длиной в один метр и начать измерять ею размеры зубчатых колесиков из наручных часов, то понятно, что ничего путного мы не добьемся. На линейке есть только миллиметровые риски, а надо измерять микроны. И дело не в том, что линейка неточная, а в том, что не тем мы начали мерить…

Если мы возьмем датчик уровня топлива с выходным сигналом от 0 до 10 В и начнем измерять его значение вольтметром, имеющим предел основной приведенной погрешности 0,1%, но рассчитанным на диапазон от 0 до 100В, то значения от 0 до 10В мы сможем мерить с точностью в 10 раз хуже, т.е. уже 1%. Поэтому при сопряжении разных устройств надо учитывать их входные и выходные диапазоны.

Если взять навигатор с аналоговым входом, рассчитанный на измерения значения напряжения от 0 до 30 В и имеющий неплохой предел основной приведенной погрешности в 0,5%, и присоединить к нему датчик с выходным сигналом от 0 до 5 В, то конечная точность (как и дискретность) будет уже в 6 раз хуже, т.е. не менее 3%. А если обрезать такой датчик уровня, сузив его выходной сигнал например до 4-х вольт от начальных пяти, то погрешность будет еще выше. Плюс к ней надо еще добавить собственную основную приведенную погрешность датчика (например 1%), плюс дополнительную погрешность из-за изменения температуры (если она указана производителем), да еще учесть погрешность тарировки, — допустим, по двум точкам…. Набегает немало. Выводы пусть для себя каждый делает сам. Кого-то это устроит, кого-то нет.

Резюмируем. Если есть желание использовать датчик с аналоговым выходным сигналом, надо учитывать:

  • предел основной приведенной погрешности как датчика, так и того, к чему датчик подключают. Если явно основная приведенная погрешность не указана, то надо попытаться понять, что же указано. Как уже говорилось, часто за основную погрешность выдают погрешность дискретизации;
  • погрешность тарировки или иных преобразований;
  • значение дополнительной погрешности от температуры, опять же, датчика и измерителя;
  • несоответствие выходного и входного диапазонов. И насколько эти диапазоны сужаются при обрезке датчиков.

Только совокупность всех этих факторов позволит дать ответ, что же за ошибка получится при измерении.

Еще одним минусом аналогового выходного сигнала является низкая помехозащищенность. Конечно, современные решения в области создания электронных компонентов, хорошая проработанность российских и международных стандартов по элекромагнитной совместимости (ЭМС) позволяют сделать решения, практически не подверженные влиянию электромагнитных помех. Но не все производители, стремясь понизить стоимость изделия, занимаются подобными вопросами. А в результате ко всем составляющим точности измерения добавляются еще и вызванные влиянием помех. Измерить и оценить их удается только в процессе эксплуатации, т.к. в большинстве случаев никаких характеристик производители не приводят, и, к сожалению, их влияние порой на порядок более сильно искажает результат измерения, чем все вышеописанные факторы.

В итоге низкая точность, неминуемо набегающая при работе с аналоговым сигналом, если честно учитывать все ее составляющие, и низкая помехозащищенность подтолкнули инженеров к поискам другого пути передачи измеренного значения. И появились частотные и цифровые способы передачи выходного сигнала.

Частотный выходной сигнал

В случае с частотным выходным сигналом, или сигналом с частотной модуляцией, выходное значение кодируется частотой импульсов в линии связи. Погрешность датчика все равно остается, но, справедливости ради надо сказать, что она присутствует во всех способах передачи выходного сигнала. Недостатком такого способа является его медленность. Если мы хотим точно передать выходной сигнал, то требуется увеличить частоту (а это сопряжено с повышенными требованиями к источнику), или увеличить время передачи (что приводит к запаздыванию в системе). Опять же, в ряде случаев это приемлемо, а в ряде – нет. Плюс в канале передачи данных присутствует погрешность, вызванная необходимостью преобразования начального значения (в нашем случаи значения уровня топлива), в частоту. Эти недостатки не позволили частотному способу передачи выходного сигнала стать стандартом и получить широкое распространение. Последнего из недостатков этого способа лишен цифровой способ передачи значения выходного сигнала.

Частотный выходной сигнал – это нечто промежуточное между передачей цифровым способом и аналоговым сигналом. Выходное значение кодируется частотой импульсов в линии связи. Основное достоинство такого способа – по-прежнему сохраняющаяся универсальность выходного сигнала, но отсутствие погрешности измерителя.

Цифровой выходной сигнал

Реализовать цифровой выход датчиков стало возможно после развития микропроцессорной техники. В большинстве современных датчиков есть микропроцессор, пересчитывающий, линеаризирующий и выравнивающий первичные измерения. Микропроцессор позволил снизить основную относительную и дополнительные погрешности самого датчика. И, естественно в микропроцессоре идет цифровая обработка значений. Какой смысл потом преобразовывать это значение обратно в аналоговый сигнал, передавать по проводу и на приемнике опять оцифровывать? Неминуема потеря точности и помехозащищенности. На это идут только ради обеспечения совместимости различных приемных устройств и датчиков. Как уже говорилось, аналоговый сигнал универсален…

Но если согласовать выход датчика и вход приемника данных на уровне протокола и интерфейса, то можно передавать результаты измерения непосредственно в цифровом виде, не теряя точности и обеспечивая должный уровень помехозащищенности.

В этом основной плюс цифровых выходов: в канале измерения остается только один источник погрешности – первичный измеритель. Для него по-прежнему необходимо учитывать основную приведенную и дополнительную погрешности, но не надо заботиться о согласовании входного и выходного диапазонов, нет погрешности вторичного измерения, нет влияния помех. И поэтому цифровые выходы получают все большее развитие и популярность.

Заключение

Мы рассмотрели варианты интерфейсов датчиков. Все они имеют плюсы и минусы. Какой использовать Вам – решайте сами. Автор лишь надеется, что эта статья дала вам информацию и Вы сможете сделать правильный выбор.