Цифровой и аналоговый интерфейсы датчиков уровня топлива. Что и почему выбирает рынок?

Очевидно, что самые большие затраты, связанные с эксплуатацией транспортных средств — это расходы на топливо. Поэтому опция контроля расхода топлива с каждым годом становится всё более востребованной на рынке систем мониторинга транспорта. Самым популярным методом контроля расхода топлива является датчик уровня топлива емкостного типа (далее – ДУТ) – он позволяет определить не только расход, но и заправки и сливы топлива.

Для подключения датчиков уровня топлива к бортовым блокам чаще всего используется аналоговый, цифровой или (реже) частотный сигнал (см. рис. 1).

                                                   

Рис. 1. Использование различных типов ДУТ в России и странах СНГ. По данным Omnicomm, август 2011 г.

Сейчас доли ДУТ с аналоговым и цифровым интерфейсом примерно равны, однако, по наблюдениям Omnicomm, цифровые ДУТ набирают популярность, в то время как аналоговые постепенно сдают позиции. Почему это происходит? Давайте разберемся.

Как устроен ДУТ и какие основные функции он выполняет? 

ДУТ предназначен для измерения уровня топлива, преобразования его в определенный сигнал и выдачи его внешнему устройству. Функционал ДУТ может быть шире - измерение температуры, ускорения и пр. Также некоторые ДУТ выполняют первичную фильтрацию «сырых» данных об уровне топлива и преобразование их в данные объема. В данной статье мы будем говорить только об основных функциях. 
В большинстве современных ДУТ для обработки первичных («сырых») данных об уровне топлива используется микропроцессор. Обработка данных в микропроцессоре и их выдача происходит в цифровом формате. Если интерфейс датчика не цифровой, необходимо преобразовать значения в аналоговый сигнал, а на регистраторе снова их оцифровывать. В результате - потеря точности и помехозащищенности. Это основной минус аналогового датчика.

                                             

 
Рис. 2. Типовой современный датчик уровня топлива

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. 

Насколько критичны недостатки аналогового интерфейса? Почему они перевешивают его достоинства? Чтобы разобраться в этих вопросах, нужно знать, что такое погрешность, и понимать, какие факторы на неё влияют. 

Слагаемые погрешности

Первое, что необходимо принимать во внимание — фактическая погрешность измерения складывается из погрешности всех измерителей и преобразователей, находящихся в канале измерения. В измерении уровня топлива при использовании аналогового сигнала 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.

                                                                                                                                                           

Соответственно, если каждое измерение или преобразование имеет относительную приведенную погрешность в 1%, то общая погрешность составит уже 3%. 

Второй очень важный момент – ошибочное толкование понятия "точность" и 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, "относительная погрешность - не более 0,5%". Кто-то делает хитрее и указывает только разрядность аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), например: "АЦП - 10 бит, выходное значение - 0 до 1023". Подразумевается, что можно получить значение с точностью около 0,1%. Все это чаще всего только вводит в заблуждение.

                         

Рис. 3 Пример корректного указания сведений о погрешностях в паспорте изделия  

Необходимо понимать, что точность измерения — это сумма основной погрешности и дополнительной погрешности, вызванной влиянием каких-либо факторов. 

Основная погрешность получается из совокупности ряда частных погрешностей: погрешности измерения, погрешности дискретизации преобразования, погрешности промежуточных пересчетов, погрешности от нелинейности, погрешности калибровки, погрешности временной нестабильности из-за старения элементов и т.д. 

В примере с указанием разрядности АЦП: на самом деле указана всего лишь погрешность дискретизации преобразования. Т.е. АЦП в 10 бит добавляет к основной приведенной погрешности около 0,1%. Но этот же измеритель может иметь нелинейность в 2% или погрешность в 1,5%, вызванную разбросом параметров радиоэлементов. Таким образом, его конечная относительная погрешность будет в десятки раз превышать указанное значение - 0,1%. На выходе у такого датчика будет действительно 1024 различных значения, и все они будут отличаться от реального на несколько процентов. 

Третье, что необходимо учитывать при использовании ДУТ с аналоговым интерфейсом – это несоответствие входного диапазона измерителя и выходного диапазона датчика. Это несоответствие так же сильно влияет на погрешность результата измерения. Значение основной погрешности указывается для всего диапазона измерения (как правило, указывается приведенная погрешность, т.е. приведенная к диапазону измерения). Соответственно, при уменьшении диапазона измерения основная приведенная погрешность увеличивается. 

Итак, насколько сильно влияние погрешности, как ее правильно определять и на что обращать внимание мы разобрались. Перейдем ко второму недостатку аналогового ДУТ – плохой помехозащищенности. 

Помехи, которые не должны мешать 

Сформированные российские и международные стандарты по электромагнитной совместимости и современные решения в области создания электронных компонентов, позволяют создавать решения, практически не подверженные влиянию электромагнитных помех. Но не все производители, стремясь понизить стоимость изделия, уделяют внимание этой работе. В итоге ко всем факторам, снижающим точность измерения, добавляется еще и влияние помех. Измерить и оценить различные аспекты этого влияния удается только в процессе эксплуатации: никаких характеристик производители, как правило, не приводят. При этом влияние помех может исказить результат измерения на порядок сильнее, чем все вышеописанные факторы. 

Что же в итоге? 

Применение датчиков уровня топлива с аналоговым выходом оправдано в том достаточно частом случае, когда бортовой блок не имеет цифровых интерфейсов или не поддерживает протокол, реализованный в датчике. Также аналоговые ДУТ популярны еще и благодаря своей относительно низкой цене. Однако растущий спрос на контроль расхода топлива и повышение требований к качеству этой функции предопределяют лидерство цифровых ДУТ на рынке систем мониторинга транспорта.