Bài viết trình bày về một giải pháp tự động đo thể tích nhiên liệu trên xe tăng thế hệ cũ T54B/T55 theo nguyên lý áp suất thủy tĩnh. Giải pháp được xây dựng trên cơ sở tích hợp các cảm biến đo lường độ chính xác cao (cảm biến áp suất, cảm biến đo nghiêng).
Nghiên cứu khoa học công nghệ MỘT GIẢI PHÁP TỰ ĐỘNG ĐO THỂ TÍCH NHIÊN LIỆU TRÊN XE TĂNG T54B/T55 Đỗ Quảng Đại1*, Nguyễn Trì1, Nguyễn Thị Thu Trang2 Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp tự động đo thể tích nhiên liệu xe tăng hệ cũ T54B/T55 theo nguyên lý áp suất thủy tĩnh Giải pháp xây dựng sở tích hợp cảm biến đo lường độ xác cao (cảm biến áp suất, cảm biến đo nghiêng) Hệ thống đo lường sau thiết kế theo giải pháp đảm bảo độ xác tính thời gian thực, từ mở khả kết nối tự động với hệ thống điều khiển giám sát tham số vận hành xe tăng trình huấn luyện Từ khóa: Thể tích nhiên liệu; Cảm biến áp suất; Cảm biến đo nghiêng ĐẶT VẤN ĐỀ Các phương tiện động nói chung ứng dụng cơng nghệ tự động hóa cao, thơng số liên quan tới an toàn, vận hành, hướng dẫn, cảnh báo thu thập tập trung, số hóa đưa trung tâm điều khiển hiển thị cho người điều khiển phương tiện dễ dàng quản lý, giám sát Tuy nhiên, số phương tiện xe tăng hệ cũ T54B, T55 điều kiện chiến tranh, hạn chế thời gian, hạn chế công nghệ nên thiết kế nguyên xe việc hiển thị tham số vận hành hoàn toàn đồng hồ cơ, đó, tham số thể tích nhiên liệu, thể tích dầu nhờn hồn tồn khơng hiển thị Hình Bảng đồng hồ tham số vận hành xe tăng T54B Thực tế để đo đạc tham số này, lái xe phải cho dừng xe vị trí tương đối phẳng sau sử dụng phương pháp đo thủ cơng dùng thước có khắc vạch để đo chiều cao mức chất lỏng bình chứa, từ tính thể tích theo tỉ lệ cho trước Phương pháp đo khơng thuận tiện, có độ xác thấp, phụ thuộc nhiều vào yếu tố chủ quan người, khó quan sát, khó quản lý q trình khai thác sử dụng Việc số hóa tham số vận hành phương tiện hệ cũ nói chung, xe tăng T54B, T55 nói riêng để quản lý, vận hành, khai thác nâng cao hiệu hoạt động nhu cầu vô thiết quan đơn vị quản lý sử dụng xe, đó, vấn đề đo đạc xác định thể tích dầu nhớt, thể tích nhiên liệu yêu cầu hàng đầu hệ thống nguyên chưa trang bị hệ thống đo kiểm tự động, cần phải có nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống đo lường tích hợp lại lên xe Qua tham khảo xe tăng hệ mới, khảo sát thực tế phương tiện giới phổ thông tơ, xe máy có nhiều phương pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật đưa để nâng cao độ xác kết đo lường thể tích nhiên liệu Như đo siêu âm, đo quang Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 61 Kỹ thuật Điện tử - Tự động hóa điện phóng xạ, đo theo điện trở, điện dung, đo cảm biến áp suất,… Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật, vai trị bình chứa nhiên liệu mà lắp đặt sử dụng loại thiết bị cảm biến đo lường khác (hình 2) 1- Đo theo tiếp xúc khí 2- Đo theo điện trở, điện dung 3- Đo quang điện phóng xạ 4- Đo siêu âm 5- Đo theo trọng lực 6- Đo phao 7- Đo cảm biến áp suất 8- Đo theo áp lực thủy tĩnh Hình Mơ tả số nguyên lý đo thể tích nhiên liệu Đối với bình chứa nhiên liệu xe tăng việc ứng dụng công nghệ giống phương tiện giới phổ thông không phù hợp phức tạp kết cấu khung vỏ xe, không gian gá lắp chật hẹp đặc biệt không cho phép thay đổi kết cấu khí bình chứa xe tăng đảm bảo tính an tồn chống rị rỉ nhiên liệu, đảm bảo an tồn phịng chống cháy nổ đảm bảo không làm ảnh hưởng tới vận hành hệ thống nguyên Sau so sánh giải pháp đo với tham khảo ý kiến chuyên gia đơn vị sử dụng Viện Tự động hóa KTQS, nhóm tác giả lựa chọn giải pháp đo thể tích theo nguyên lý áp suất thủy tĩnh thông qua sử dụng cảm biến áp suất Như vậy, việc đo thể tích nhiên liệu trở thành tốn đo áp suất thơng qua áp lực nhiên liệu bình chứa tác dụng lên cảm biến lắp đặt thêm vào Trong thực tế xe tăng vận hành trình sử dụng, giá trị đo từ cảm biến áp suất chịu tác động nhiều yếu tố sai số xe di chuyển vị trí khơng thăng (độ nghiêng lớn) khiến cho áp lực nhiên liệu tác động lên đầu cảm biến phản ánh không giá trị thực tế Vì vậy, cần thiết phải tích hợp thêm cảm biến đo nghiêng vào hệ thống, đồng thời nghiên cứu, xây dựng thuật toán bù nghiêng để giảm thiểu sai lệch lên phép đo nhằm nâng cao tính ổn định xác trình vận hành hệ thống đo lường CẤU TRÚC HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU TRÊN XE TĂNG T54B/T55 Hệ thống cung cấp nhiên liệu xe tăng chia làm hai tổ: tổ trước tổ Bình nhiên liệu tổ trước (3) đặt bên phải lái xe tích 217 lít Bình nhiên liệu tổ (19) đặt trước buồng động lực, tích 315 lít Đặc điểm chung bình nhiên liệu bên có thiết kế thêm vách ngăn ngồi việc làm tăng độ cứng cịn giảm dao động nhiên liệu xe chạy Trên nắp lỗ nạp nhiên liệu có lỗ đặc biệt thơng với khí trời, nắp có phao van kim đậy kín khơng cho nhiên liệu sánh ngồi, đảm bảo áp suất bề mặt nhiên liệu bình áp suất bên Ngoài ra, để tiết kiệm khơng gian lắp đặt, bình nhiên liệu tổ xe T55 gia cơng thép dập, có các lỗ rỗng bình tận dụng khơng gian dùng làm ổ chứa viên đạn pháo Với cấu tạo hình dạng đặc biệt thùng chứa nhiên liệu xe tăng, việc ứng dụng loại cảm biến đo lường phương tiện phổ thơng khơng khả thi khơng có không gian lắp đặt mà cảm biến yêu cầu Nhóm tác giả lựa chọn giải pháp đo đường sử dụng cảm biến áp suất cảm biến áp suất lắp đặt đường ống trích từ ống dẫn phân phối nhiên 62 Đ Q Đại, N Trì, N T T Trang, “Một giải pháp tự động … nhiên liệu xe tăng T54B/T55.” Nghiên cứu khoa học công nghệ liệu tới hệ thống thơng qua chạc ba, hồn tồn khơng làm thay đổi kết cấu khí bình, dễ dàng thao tác, lắp đặt Cảm biến đo nghiêng lắp đặt chắn sàn xe, có chức đo góc nghiêng sàn xe so với mặt phẳng nằm ngang xe động Hình Sơ đồ hệ thống nhiên liệu bình tổ xe tăng MƠ TẢ TỐN HỌC CỦA PHÉP ĐO THỂ TÍCH NHIÊN LIỆU Hệ thống đo mức nhiên liệu xe tăng cảm biến áp suất, cịn tích hợp thêm cảm biến đo nghiêng trục độ xác cao HCA526T với biến đổi A/D 16 bit, thuật toán lọc số liệu đo góc tương đối so với trục ngang trục dọc Đây loại cảm biến sử dụng, kiểm chứng số tổ hợp phịng khơng tầm thấp PPK 37mm-2N Viện Tự động hóa KTQS nghiên cứu thiết kế, chế tạo nhằm thực số thuật toán liên quan đến việc bù độ nghiêng sàn xe bệ pháo Một số đặc điểm kỹ thuật chính: - Số kênh đo: kênh (trục ngang trục dọc) - Nhiệt độ làm việc: -40 ÷ 85 oC - Nhiệt độ bảo quản: -50 ÷ 100 oC - Cấp bảo vệ: IP67 - Kích thước: 90x50x28 - Dải đo: ±15o - Độ phân dải: 0.001o - Điện áp làm việc: ÷ 36 VDC - Dịng điện làm việc: 50 mA Hình Thiết bị đo nghiêng HCA526T - Khả chống rung xóc: >2000 g Gọi: Oxy - Hệ trục tọa độ gắn với cảm biến đo nghiêng - Góc nghiêng theo trục Ox sàn xe so với mặt phẳng nằm ngang ( ) - Góc nghiêng theo trục Oy sàn xe so với mặt phẳng nằm ngang ( ) - Góc nghiêng sàn xe so với mặt phẳng nằm ngang Đối với toán đo mức nhiên liệu, nhóm tác giả thực tính tốn theo bước sau: Bước 1: Tính góc theo góc , theo phương pháp hình học Vẽ đường thẳng t giao tuyến mặt phẳng (Oxy) ( ) xe tăng bị nghiêng hình Lấy điểm A trục Ox Gọi H hình chiếu A mặt phẳng ( ), M hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 63 Kỹ thuật Điện tử - Tự động hóa chiếu A giao tuyến t Khi đó, góc ̂ = Lấy điểm B trục Oy cho OA = OB = a Gọi K hình chiếu B mặt phẳng ( ), N hình chiếu B giao tuyến t Khi đó, góc ̂ = Hình Biểu diễn góc nghiêng hệ tọa độ gắn với sàn xe Theo cách xác định góc mặt phẳng góc ̂ ̂ góc mặt phẳng (Oxy) ( ) Do đó: ̂ = ̂ = Theo hệ thức lượng tam giác vng, ta có: Đối với ΔOAH vng góc H: (1) Đối với ΔMAH vng góc H: (2) Đối với ΔOBK vng góc K: (3) Đối với ΔNBK vng góc K nên: (4) Xét tam giác có: ̂ = ̂ (là góc phụ với góc ̂ ) OA = OB = a ̂ = ̂ (là góc phụ với góc ̂ ) (trường hợp góc – cạnh - góc) Nên = Suy MO = NB Áp dụng định lý Pitago cho ΔMOA vuông M, ta có: 64 Đ Q Đại, N Trì, N T T Trang, “Một giải pháp tự động … nhiên liệu xe tăng T54B/T55.” Nghiên cứu khoa học công nghệ √ (5) Thay biểu thức (5) vào biểu thức (2) ta nhận được: √ √ √ √ √ (6) Như vậy, nhóm tác giả có mối quan hệ góc nghiêng sàn xe so với mặt phẳng nằm ngang theo góc nghiêng trục Ox, Oy mà cảm biến đo nghiêng trả Bước 2: Tính thể tích bình nhiên liệu Sau khảo sát đặc tính kỹ thuật, nhóm tác giả lựa chọn cảm biến áp suất HPT200 hãng Holykell Dòng cảm biến sử dụng rộng rãi lĩnh vực đo thể tích chất lỏng, kiểm tra áp suất khí, nước, dầu cơng nghiệp nói chung lĩnh vực qn nói riêng HPT200 loại cảm biến áp suất với nguyên lý màng nằm bên trong, có độ tin cậy, độ ổn định độ xác cao Lớp màng thay đổi độ căng có áp lực tác động vào Sự thay đổi màng vi mạch điện tử khuếch đại thành tín hiệu dịng điện, có đặc tính bảo vệ q điện áp, q dịng điện, hoạt động ổn định mơi trường có từ trường cao Một số đặc điểm kỹ thuật chính: - Nhiệt độ làm việc: -35 ÷ 85 oC - Nhiệt độ bảo quản: -50 ÷ 100 oC - Đầu ra: ~ 20 mA - Dải đo: 0.0-0.1 bar - Độ xác: 0.5%FS - Điện áp làm việc: 12 ÷ 36 VDC Hình Cảm biến áp suất Holykell Hệ thống đo lường có sơ đồ cấu trúc sau: Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo lường Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 65 Kỹ thuật Điện tử - Tự động hóa Lưu đồ thuật tốn hệ thống đo lường thực hình Áp suất bình chứa nhiên liệu qua ống dẫn đưa vào cảm biến áp suất Tín hiệu từ cảm biến áp suất trả khối xử lý trung tâm tín hiệu analog (4 20) mA, thơng qua Module chuyển đổi dịng áp cho tín hiệu analog (0 5) V Tín hiệu analog số hóa sang tín hiệu số chuyển đổi ADC vi điều khiển Thơng qua số thuật tốn xử lý số liệu nhóm tác giả nhận giá trị ổn định, giá trị sử dụng công thức tính tốn thể tích nhiên liệu binh chứa Ngoài ra, khối xử lý trung tâm giao tiếp với cảm biến đo nghiêng qua đường truyền RS485 (Thông số cổng truyền thông: 9600baud, data bit, stop bit, khơng mã kiểm tra) Giá trị góc nghiêng theo trục , đưa vào tính tốn khối xử lý trung tâm Đối với bình nhiên liệu có bảng số liệu calip giá trị thể tích theo giá trị ADC mà cảm biến áp suất trả hoàn toàn khác nhau, phụ thuộc vào kết cấu, tiết diện bình nhiêu liệu Trên hệ thống cung cấp nhiên liệu xe tăng, bình tổ sử dụng thường xuyên, liên tục, vấn đề đo lường giám sát thể tích bình vơ cần Hình Lưu đồ thuật tốn thiết Do đó, báo nhóm tác giả thực nghiệm cụ thể bình nhiêu liệu tổ xe tăng T54B thu hệ thống đo lường bảng số liệu sau STT Thể tích V(lít) Giá trị ADC 30 126 50 158 70 193 90 230 110 265 130 298 150 334 170 370 190 402 10 210 437 11 230 477 12 250 508 13 270 544 14 290 583 15 310 619 16 315 622 Căn vào bảng số liệu này, nhận thấy giá trị thể tích đo đại lượng phụ thuộc tuyến tính theo giá trị ADC, mối quan hệ gần tuân theo hàm số bậc nhất: (lít) (7) Áp dụng cơng thức hàm số này, hệ thống đọc giá trị ADC mà cảm biến trả về, tính thể tích thực có bồn chứa nhiên liệu Tuy nhiên, trường hợp xe tăng 66 Đ Q Đại, N Trì, N T T Trang, “Một giải pháp tự động … nhiên liệu xe tăng T54B/T55.” Nghiên cứu khoa học công nghệ động dừng đỗ vị trí khơng phằng, giá trị thể tích khơng phải thể tích thực có bình Đó giá trị thể tích V’ tương ứng với chiều cao cột áp h’ hình Hình Bình nhiên liệu xe tăng bị nghiêng h: Cột áp nhiên liệu bình chứa xe thăng bằng; : Cột cáp nhiên liệu bình chứa xe bị nghiêng Trên hình 9, ΔDEF vng góc F, theo hệ thức lượng tam giác vuông ta có: ( Do ̂ = ) Giá trị ADC mà cảm biến áp suất trả đại lượng tỉ lệ thuận với chiều cao cột áp, nhóm tác giả nhận được: (8) √ Áp dụng cơng thức (7) nhóm tác giả nhận giá trị thể tích nhiên liệu thực có bình nhiên liệu KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM THỰC TẾ Cung cấp 200 lít nhiên liệu vào bình nhiên liệu tổ giữa, gây vị trí với góc nghiêng khác cho xe tăng Thể tích nhiên liệu thực có bình đo đạc thông qua hệ thống đo lường theo bảng số liệu sau: STT V Sai số 4.3 6.3 0.991138 201.78 0.89 5.4 9.2 0.982658 203.52 1.76 5.1 7.2 0.988136 202.40 1.20 4.8 9.3 0.983319 203.39 1.69 7.2 9.8 0.977428 204.61 2.31 8.9 10.1 0.972299 205.69 2.85 9.7 7.5 0.977047 204.69 2.35 10.2 2.7 0.983085 203.44 1.72 11.6 10.5 0.962513 207.78 3.89 10 12.1 8.8 0.965776 207.08 3.54 Các kết nghiên cứu báo ứng dụng trực tiếp 03 xe tăng (02 xe T54B 01 xe T55) mã hiệu 982, 485 083 Trường Trung cấp kỹ thuật Tăng thiết giáp/Bộ tư lệnh Tăng thiết giáp Ngoài ra, kết nghiên cứu hoàn toàn mở rộng ứng dụng xe tăng, xe thiết giáp khác Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 67 Kỹ thuật Điện tử - Tự động hóa KẾT LUẬN Bài báo trình bày giải pháp tự động đo thể tích nhiên liệu xe tăng hệ cũ T54B/T55 Tích hợp cảm biến áp suất cảm biến đo nghiêng, xây dựng thuật tốn tính tốn, xử lý tín hiệu nhận để nâng cao độ xác phép đo thể tích vị trí, địa hình khác Kết thử nghiệm thực tế cho thấy, hệ thống đáp ứng tốt tiêu kỹ thuật, đồng thời tính thời gian thực tốt so với phương pháp đo thước vạch khắc dùng, mở khả kết nối tự động với hệ thống điều khiển giám sát tham số vận hành xe tăng trình huấn luyện Điều khẳng định tính hiệu tính khả thi áp dụng rộng rãi giải pháp vào thực tiễn cải tiến xe tăng hệ cũ nói riêng loại phương tiện động nói chung TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ban nghiên cứu kỹ thuật, Bộ tư lệnh tăng thiết giáp (1977), “Cấu tạo sử dụng xe tăng T54A T54B tập 1” [2] Trần Văn Đắc (2003), “Thủy lực đại cương”, NXB Giáo dục [3] Hà Quốc Huy (2021), “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống tự động đo lưu trữ tham số vận hành xe tăng”, Báo cáo tổng hợp kết nghiên cứu nhiệm vụ, Cục kỹ thuật, Bộ Tư lệnh Tăng thiết giáp [4] Vũ Quốc Huy, Trần Ngọc Bình, Đỗ Quảng Đại (2013), “Thuật tốn tính góc trục góc bệ thiết lập cho đài quan sát phịng khơng động”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 28,12-2013 ABSTRACT AN AUTOMATIC SOLUTION OF FUEL VOLUME MEASUREMENTSTANK T54B/T55 In this paper, a solution to automatically measure the fuel volume on the old generation tank T54B/T55 according to the principle of hydrostatic pressure is presented The solution is built on the basis of integrating high-precision measuring sensors (pressure sensor, clinometer sensor) After calibration, the solution's measurement ensures better accuracy and real-time, opens the possibility of automatic connection to a supervisory control system tank operating parameters during training Keywords: Fuel volume; Pressure sensor; Clinometer sensor Nhận ngày 14 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 20 tháng 10 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 10 năm 2021 Địa chỉ: 1Viện Tự động hóa KTQS/Viện KH-CNQS; Tạp chí Nghiên cứu KHCN quân sự, Viện KHCN quân * Email: quangdaikt206@gmail.com 68 Đ Q Đại, N Trì, N T T Trang, “Một giải pháp tự động … nhiên liệu xe tăng T54B/T55.” ... tính thể tích thực có bồn chứa nhiên liệu Tuy nhiên, trường hợp xe tăng 66 Đ Q Đại, N Trì, N T T Trang, ? ?Một giải pháp tự động … nhiên liệu xe tăng T54B/T55. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ động. .. trị thể tích nhiên liệu thực có bình nhiên liệu KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM THỰC TẾ Cung cấp 200 lít nhiên liệu vào bình nhiên liệu tổ giữa, gây vị trí với góc nghiêng khác cho xe tăng Thể tích nhiên liệu. .. 2021 67 Kỹ thuật Điện tử - Tự động hóa KẾT LUẬN Bài báo trình bày giải pháp tự động đo thể tích nhiên liệu xe tăng hệ cũ T54B/T55 Tích hợp cảm biến áp suất cảm biến đo nghiêng, xây dựng thuật