Оптический уровнемер

 

Изобретение позволяет расширить функциональные возможности и повысить точность измерения уровня жидкости, Сущность изобретения: при сканировании дефлектором 2 внутреннего пространства световода 4 изменяются параметры поляризованного излучения, распространяющегося по световоду 4, которые определяются измерителем параметров Стокса 5, с выходов которого сигналы через ключи 6 и аналого-цифровой преобразователь 7 поступают на вычислительное устройство 8, которое по заданному алгоритму вычисляет значение уровня жидкбсти, а тгкже определяет угол, под которым излучение от источника 1 через дефлектор 2 вводится в световод 4. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1)з 6 01 F 23/28

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Оl (21) 4910583/10 (22) 19,02.91 (46) 23.12.92. Бюл. O 47 (71) Винницкий политехнический институт (72) Н.П.Вайда и P.Â.Ðåâà (56) А,с. СССР N 1613870, кл. G 01 F 23/28, 1990 г.

: З. (54) ОПТИЧЕСКЙЙ УРОВНЕМЕР (57) Изобретение позволяет расширить функциональные возможности l1 повысить точность измерения уровня жидкости.

Сущность изобретения: при сканировании

„„, Д „„1783311 А1 дефлектором 2 внутреннего пространства световода 4 изменяются параметры поляризованного излучения, распространяющегося по световоду 4, которые определяются измерителем параметров Стокса 5, с выходов которого сигналы через ключи 6 и аналого-цифровой преобразователь 7 поступают на вычислительное устройство 8, которое по заданному алгоритму вычисляет значение уровня жидкости",а т".кже определяет угол, под которым излучение от источника 1 через дефлектор 2 вводится в световод 4. 2 ил.

1783311

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких сред.

Известен оптико-электронный дискретный оптический уровнемер, содержащий источник света фотоприемник и световод, установленный на пути отраженного от жидкости пучка. Недостатком устройства является индикацйя одного или нескольких уровней жидкости, что ограничивает область егб применения, и зависимость результМов Жмереййя ot незначительных флуктуаций поверхности.

Известно также устройство, содержащее источник оптического излучения, световод в виде плоско-параллельной пластины из оптически прозрачного материала и фотоприемник. Свет распространяется по световоду благодаря полным внутренним отражениям (ПВО). Излучение выходит из пластин в точках контакта с контролируемой жидкостью, показатель преломления которой ниже показателя преломления свето вода. Н едостатком устройства я вл я ется ограниченный диапазон измерения за счет потерь излучения при нарушении условия

ПВО с появлением жидкости.

Наиболее близким к предлагаемому оптическому уровнемеру является оптический уровнемер, содержащий источник оптического излучения, поляризатор, прозрачную пластину, измеритель параМетров Стокса (ИПС}, электронные ключи, аналого-цифровой преобразователь (АЦП} и вычислительное устройство (BY), Поляризованное излучение, распространяющееся в прозрачной пластине под заданным углом, для которого условие ПВО выполняется при контакте пластины и с воздухом, и с жидкостью. При ПВО поляризованного излучения от границ световод-воздух и световоджидкость скачки фаз между параллельной и перпендикулярной границе пластины составляющими различны, Значение уровня определяется по величине набега разности фаз между параллельной и перпендикулярной составляющими излучения. Однако описанное устройство работоспособно только при изменении уровня от нулевого значения, если до начала измерений в сосуде находилась жидкость; то показания

- оптического уровнемера могут не соответствовать истинному значению уровня, т.к. возможен набег разности фаз свыше 2. Кроме того, в процессе измерения уровня не учитывается влияние изменения показателя преломления контролируемой жидкости, которое может иметь место как при изменении состава контролируемой жидкости, так и при изменении температуры, Цель изобретения — повышение точности, Укаэанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее источник излучения, поляризатор, прозрачную пластину, ИПС, электронные клЮчи, АЦП и BY допол нительно введены блок управления углом отклонения излучения дефлектором (БУД) и дефлектор оптического излучения (Д); Вы10 ход источника излучения оптически связан со входом дефлектора, выход которого оптически связан со входом поляризатора, выход которого оптически связан с входным торцом пластины, выходной торец пластины оптически связан со входом ИПС, а четыре выхода.ИПС связаны со входами электронных ключей, выходы которых связаны со входами АЦП, выход которого связан со входом BY, выход которого связан с выходами электронных ключей, а второй выход которого связан со входом БУД, выход которого связан со вторым входом Д. 3а счет введения дефлектора, один вход которого оптически связан со входом источника излучения, а выход — со входом поляризатора, а также блока управления углом отклонения излучения, вход которого связан с одним из выходов вычислительного устройства, а выход — со входом дефлектора стало возможно повышение точности измерения за счет учета флуктуаций значения показателя преломления жидкости при обработке результата измерения разности фаз электрических составляющих излучения вычислительным устройством, На фиг.1 представлена схема предложенного устройства; на фиг.2 — ход лучей в пластине на i — l,! и l + l шагах изменения угла ввода излучения в прозрачную пластиная пластина, 5 — ИСП, 6 — электронные ключи, 7 — АЦП, 8 — BY, 9 — БУД. Выход ИИ1 связан с первым входом Д2, выход которого оптически связан со входом поляризатора 3, выход которого оптически связан с выходным торцом прозрачной пластины 4, выходной торец прозрачной пластины, далее

45 именуемой световод 4, оптически связан со входом ИПС 5, а четыре выхода ИПС связаны со входами электронных ключей 6, выходы которых связаны со входами АЦП 7, выход которого связан со входом BY 8, пер50 вый выход которого связан с выходами электронных ключей, а второй выход которого связан со входом БУД 9, выход которого связан со вторым входом Д2.

Устройство работает следующим образом.

40 ну(световод), Для фиг.1: 1 — источник излучения (ИИ), 2 -дефлектор,3- поляризатор,4- прозрач1783311

6 (1) 25 д =2 а ctg

Г

cos а

Е1 =So — Еи (8) S1 = Ег — So+ EJ (9) Тогда 1Е1у! = $о+ Я

-2 д1 =ди-al. (3) (10) Электромагнитные волны оптического диапазона от ИИ 1 поляризуются поляризатором 3 попадают на дефлектор 2, который направляет излучение в световод 4..Излучение распространяется по световоду 4 благо- 5 даря ПВО световод — воздух. Условйе ПВО сохраняется и при переходе излучения в часть световода, граничащую с жидкостью, Показатель преломления жидкости должен быть меньше показателя преломления све- 10 товода. Электромагнитная волна в световоде может быть разложена на две составляющие по отношению к границе раздела световод — внешняя среда: перпен-: дикулярную ($) и параллельную (И), 15

При распространении излучения nb световоду изменяется амплитуда и фаза излучения. Амплитуда затухает по экспоненциальному закону с коэффициентом затухания практически равным нулю, 20

Фаза l и 11 составляющих излучения изменяется скачком при отражениях от границы световода следующим образом: ди =2 агстц... (2) о )г cosa ,30 где д - скачек фазы 1 составляющей; ди — скачек фазы li составляющей; а- угол между перпендикуляром к границе раздела и направлением падениялуча; 5

ni — показатель преломления пластины; по - показатель преломления окружающей среды;

Разность фаэ и ll составляющих при одном ПВО определяется выражением 40

При изменении сдвига фаз между составляющими излучения в световоде изменяется состояние поляризации света. Для описания состояния поляризации света используют параметры Стокса.

Я =Е„+ЕР; . (4)

S„-=Е"-Е,, (5) 50

Яг=2Е Еи соз д, (6)

Яз 2Е1Еи э1п д, (7) .где Е, Еи - усредненные по времени составляющие электрического поля; д — разность фаз между составляющи- 55 ми;

So — интенсивность;

Я вЂ” параметр преимущественной горизонтальной поляризации;

Яг — параметр преимущественной пОляризации под углом +45О;

Яз — параметр преимущественной правоциркулярной поляризации, Выходящее из световода излучение направляется на ИПС (5),в качестве которого может быть использован, например, измеритель, описанный.в а.с. М 640137. На выходе ИПС (5) снимаются напряжения, пропорциональные параметрам Стокса.

Электрический сигнал через ключи (6) поступает на АЦП (7). Сигналы на АЦП (7) служат входной информацией для BY (8), АЦП (7) преобразует аналоговое напряжение с выходов ИПС (5) в цифровую форму, необходимую для вводу в ВУ (8), которое управляет периодически замыканием ключей (6), реализуя тем самым поступление изменившихся (если это иэменейие произошло) сигналов на вход АЦП (7). В BY (8) определяется по параметрам Стокса значение уровня жидкости и выдается команда на БУД (9), задающий угол под которым дефлектор вводит излучение в световод. В простейшеМ случае в качестве дефлектора может быть использован, например, дефлектор на основе отражающих (преломляющих) призм Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. — M.: Сов. радио, 1977, БУД в этом случае, может быть реализован на основе шагового двигателя .

По параметрам Стокса значение д определяется в следующем порядке. Из формул

4 и 5 определяются значения Е и Е:

Подставив значение Е 1 в формулу 4: г а1Е11

So -S>

Из формул 9 и 10 следует, что

"Бо — Si, если So- S< О, то Š—

«Бо -Ssi если Яо — Я1 < О, то Е = So + S ), если So+ S> О, то Еи =

4Бо +S sl, если So+ Я1 < О, то Еи—

1783311

7 а! = arctg

d (2 — 1) (13) 45

Л! =(д1 — М) .

dtgal

Далее по определенным величинам Е i и Еп определяется набег разности фаз д в угле Π— 2л..

Из формулы 6 следует, что

cos д (12)

2 Е!! Е

Из формулы 7 следует, чтоsin д (1 3)

2ЕпЕ

Далее по значениям cos д и зlп д определяется величина д в угле Π— 2 л . если.

cos д «О и sin д =. О, то

R д- arccos если соз д «О и sin д < О, то д = — arccos + 2 л .Sz

2 EnEJ если cos < О и зlп д «О, то д ж агссоз I I

Я2

2 Е Еп если cos д < О и sin д < .О, то д = и+ arccos 1 1

2 Е!! Е

В момент включения устройства световод может быть частично. погружен в жидкость. Поэтому излучение вводится. в световод под углом а 1, для которого имеет место. лишь одно отражение от границ световода таким образом, чтобы точка отражения делила пластину на равйые части.

Затем, если отражение произошло от границы пластина — воздух угол ввода излучения меняется таким образом, чтобы точкой, в которой отражается излучение, делилась пополам. часть пластины между точкой отражения в предыдущем случае и выходном торцом.

Угол ввода излучения на l-том шаге определяется иэ выражения где 1 — длина пластины;

d — толщина пластины; (2 — 1) — количество отражений светового луча от границы пластины на 1-ом шаге.

Для каждого угла ввода излучения определяется набег фаэ h,! для отражений излучения от границы световод — воздух при помощи формул (1) и (2) где дй — скачок фазы II составляющей при

ПВО от границы световод-воздух; д — скачек фазы (составляющей при

ПВО от границы световод — воздух.

Поскольку количество отражений излучения от границы световода изменяется от шага к шагу(от l — 1 к !), то на каком-то шаге будет иметь место одно отражение от границы раздела световод-жидкость (остальные отражения, если они имеют место, будут от границы световод-воздух). Измерив значе"О ние общего набега фаз на l-том шаге Ьi и сравнив его Л i, можно сделать вывод. о наличии жидкости в сосуде. Если Л! = Ь 1, то значит еще не произошло отражения излучения от границы световод-жидкость и выполняется i + 1 шаг и т.д.

Если Я вЂ” 41 «дп,!„, где д ь — скачок фаз между J. и !! составляющими при одном отражении световод20 жидкость для жидкости с наименьшим измеряемым показателем преломления

nmi<.

Значение дю определяется для а =а! и

no = nmIn.

Если при проверке неравенства (15) — (4 2 z и О

2 2 отбрасываются части, кратные 2ж, то значение 1 Л i — Л i I определяется следующим

30 образом:2к-Ai+h,! . Выполнение неравенства (15) означает, что имеет место отражение от границ световод-жидкость и уровень жидкости находится между этой точкой отражения (она ограничивает значение

35 .уровня жидкости) и точкой отражения световод-воздух находящейся выше на рассто- . янии dtg а ь

Полученное значение изменения фазы при одном отражении от границы световод40 жидкость обозначим дп. ди =1М вЂ” h I =д% — д1! где д!! — разность фаз «1 и И составляющих при одном ПВО от грайицы раздела световод-жидкость для a = aI, no - пж д1! — разность фаэ J, и II составляющих при одном

ПВО от границы раздела световод-воздух для а =a!, n0= ns.Так какд ц=д!!!-дц и д !=

Ф

=д!в -OJl,где д!ц,дш- скачек фазы П составл я ющих для а = а и no - =n, а = а! и no— п8 соответственно; ду, dpi -скачек фазы

1 составляющих для a =aI, и п0- пж.а =ai, и n> = п соответственно, то решив трансцендентное уравнение в

Лду =2 arctg (и ) cosa

1783311 — 2 arcing

cos а;

+ 2 arctg

cos al — 2 arctg („, ) cosal 10 относительно пж получим значение показателя преломления контролируемой . жидкости. После этого определяется максимальный возможный набег фаэ hoax между составляющими исходя из того, что весь участок световода, выше точки в которой произошло отражение от границы световод-жидкость, величиной dtg al может контактировать с жидкостью, А ах определяется для угла, соответствующего рабочему углу, а р выбирается из условия: a p =.

- arcsln — + где а g — минимальный шаг пж п1 изменения угла отклонения излучения дефлектора.

Значение.Ь определяется из выражения (16) 30 тц а1

tg ap

Значения h. l+1.(h1) и Л 1+ 1(hz) представляются в виде

Al+1(h1) = д(М)+2 (М)К, Ьl+1(hz) = 5(hz) +2k(hz)x где 0 д(п1) <2и

45 0 д(Ь2) < 2Л

k(h1), k(hz) — количество набегов разности фаз между составляющими по 2 zt.

Далее значение Al+1 сравнивается со значением Л1+ 1(hz) в пределах угла 0 — 2 к

Если будет выполняться равенство h,l+1=

= Ь l + 1(h1), то следовательно поверхность жидкости находится между точками А и С (см. фиг.2), если Л1+ 1 = Л I + 1 (hz), то поверхность жидкости, находится между точками

С и В. Далее снова определяется значение

hmgx на участке (АС) = (СВ) для угла распро- странения излучения ар. Если Л и, < 2 к, то значение уровня жидкости определяется следующим образом. Излучение вводится в световод под углом ар и по измеренным пагде Ьд1 = д> — Bl для угла ар.

Если bm>< 2 г, то излучение вводится в световод под углом ар. Значение уровня жидкости определяется в этом случае следующим образом. По измеренным зйачениям . параметров Стокса определяется значение общего набега разности фаэ h для данного значения уровня жидкости в пределах угла

0 — 2 г. Кроме того, расстояние от точки в которой имело место llBO излучения от границы световод-жидкость до выходного торца световода при угле ввода излучения а1 (при а -1 отражений от границы световода с жидкостью не было) составляет .hl = dtg Q

Набег разности фаз на этом участке определяется по формуле (16). Если значение

Ь определенное по измеренным значениям параметров Стокса меньше значения разности фаз на участке вычисленного по формуле (16), то значение уровня жидкости определяется по формуле

А+2 k+1 х

d tg ap где k — количество набегов разности фаз по

2 (в данком случае k = О), В противном случае

6+2 1л

h=L

d tg ар

Если Max > 2 zt, то излучение вводится в световод под углом, для которого расстояние между точкой, в которой имело место

ПВО от границы световод-жидкость (т.А см. фиг.2) и соседней (т, В см. фиг.2), в которой имело место ПВО от границы световод-воздух, делится пополам точкой (т.С см. фиг.2), в которой происходит ПВО (излучения, распространяющегося под углом al+ 1).

Далее производится измерение параметров Стокса и по ним в BY определяется значение набега разности фаз Лl+ 1 между составляющими при отражении от границы световод-жидкость по отношению к отражениям световод-воздух при угле распростра.нения ai+ 1. Значение 61+ 1 определяется в угле 0 — 2 K Затем вычисляются значения набега разности фаз Л1+ 1 (в пределах 02л) при угле распространения излучения

al+1для уровней жидкости.hl и hz(cv, фиг.2) выше и киже точки С. В этих случаях количество отражений излучения от границы световод-жидкость различается на единицу.

Поэтому значения Ь+1 для уровней жидкости h1 и hz определяются соответственно из выражений

Ь +1 (h) — (д 1,1+1—

d tg al+1

-д*1,!+1)

4l+ 1(hz) =(+1 ) (д1,1+1—

d tg а1+1 — д*1,1+1 ) 1783311

12 (17) dcIg Qp

6+2 Кж

h=L

d 1дар

55 измерения. Дяя устранения неоднозначн раметрам Стокса определяется значение набега разности фаз Л для данного значения уровня жидкости в пределах угла Π— 2 л

Кроме того, расстояние от точки, в которой имело. место последнее ПВО излучения от границы световод-жидкость для последнего угла ввода излучения (в данном случае а + 1) до выходного торца световода составляет

А+1

dtg Q i+1

ä 1. i+1 — д*1, i+1

Набег разности фаз на этом участке составляет

Bi+1 tg Qi+1 д1, p — д*1. р (д 1, +1 — д1, i+1 ) tg ар где индексы р и i + 1 обозначают рабочий и последний из углов ввода излучения в световод, Если значение Ь в пределах угла Π— 2 определенное по измеренным значениям параметров Стокса меньше значения 6р в пределах 0-27г, то значение уровня жидкости определяется по формуле где kp — количество набегов разности фаз между составляющими по 2 _#_ на участке контакта световода с жидкостью длиной i+1 d tg QI+1 при распространении д 1, i +1 — д*1.1+1 излучения под углом Qp .

В противном случае

- я" яя

dtg ар

Если Ьm»< > 2 ж, то повторяются действия предыдущего цикла до тех пор пока не будет выполняться неравенство hm>< 2 K Одйако, расчеты проведенные для реальных значений показателей преломления световода и жидкостей, диапазона измерения уровня показывают, что достаточно двух циклов с определением Л х, если же! > 2, та достаточно и одного цикла определения

Amex, После выхода на рабочий режим измерения уровня жидкости (угол распространения излучения Qp) Ь вЂ” в пределах угла

0-2 а, При возрастании уровня жидкости значение набега разности фаз может превышать 2 к. Следовательно; возможно неоднозначное толкование результатов сти используется специальный алгоритм обработки результатов измерения параметров Стокса, который позволяет зарегистрировать и учесть все переходы через.2 к и

5 через О. Переход через 2 л регистрируется следующим образом: если Д <Л вЂ” 1, где

h, — текущее значение набега разности фаз в угле 0-2 ж;

Л - 1 — предыдущее значение набега разности фаз в угле 0-2 л, то уровейь"жидкости увеличивается, или при уменьшении уровня жидкости произошел переход набега разности фаз через 2

"5 к. Таким образом, если Ь <Ь вЂ” 1 и (Ь1-1 —.— ) — Л > О, то произошел

«Зл

2 переход набега разности фаз через 2 жи число таких переходов (kp из формул 17 и 18) увеличилось на единицу. Увеличение числа переходов через О на единицу означает уменьшение числа переходов через 2 йна единицу.

Переход через О регистрируется следующим образом; если Д (hl — 1, то уровень жидкости уменьшается или при увеличении уровня жидкости произошел переход набега разности фаз через О. Если, кроме предыдущего условия выполняется и условие (hl — — ) -Л -1 > О, то произошел переЗи

2 ход набега разности фаз через О и следова- . тельно значение kp уменьшилось на единицу.

Таким образом уровень жидкости определяется по общей формуле: где 1 — длина световода

Ь вЂ” значение набега разности фаз между составляющими в угле Π— 2 ж;

k — количество набегов разности фаз между составляющими по 2;

d — толщина световода;

Q- угол между перпендикуляром к границе световод-окружающая среда и направлением падающего луча (угол ввода излучения).

Значение уровня жидкости выводится для визуального наблюдения. При этом BY управляет включением электронных ключей (замыкает их) и на BY поступает новая информация об уровне жидкости. Периодически, с целью учета влияния показателя преломления жидкости на показания измерительного устройства, процесс измерения

1783311

13 2

С

АФ

Составитель P.Ðåâà

Техред M.Ìoðãåíòàë

Редактор Т.Шагова

Корректор Н.Гунько

Заказ 4506 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101 уровня начинается с ввода излучения в световод под углом а и с выходом на рабочий режим в соответствии с приведенным выше алгоритмом работы уровнемера.

Формула изобретения

Оптический уровнемер, содержащий источник оптического излучения, поляризатор, световодную пластину, измеритель параметров Стокса, блок электронных ключей, аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство, при этом источник оптического излучения оптически связан с входом поляризатора, выход которого оптически связан с верхним торцом пластины, нижний торец которой оптически связан с входом измерителя параметров

Стокса, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам блока электронных ключей, управляющий вход которого подключен к выходу вычислительного устройства, а пер5 вый, второй, третий и четвертый выходы блока электронных ключей подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом вычис10 лительного устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены дефлектор и блок управления углом отклонения дефлектора, при этом источник излучения связан с поляризатором

15 через дефлектор, вход блока управления углом отклонения дефлектора подключен к выходу вычислительного устройства, а выход — к входу дефлектора.