Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа

Изобретение предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления. Способ контроля уровня жидкости, включающий погружение одного из торцов волоконного световедущего элемента в контролируемую емкость, засветку второго торца световедущего элемента, оценку мощности, при этом оптический сигнал одного излучателя подают одновременно не менее чем на два торца волоконных световедущих чувствительных элементов, находящиеся на одном уровне, и фиксируют ряд отраженных от торцов сигналов, а результат оценивают. Устройство, включающее источник и приемник излучения, оптически сопряженные с выходными полюсами направленного волоконно-оптического разветвителя не менее чем Х-типа, входные полюса которого оптически сопряжены с торцами чувствительных элементов датчиков, а в выходные порты разветвителя, начиная со второго, включены линии оптической задержки в виде отрезков оптического волокна, длина которых является функцией от паузы между импульсами источника излучения и индивидуальна для каждого канала. Техническим результатом является создание надежного способа измерения уровня жидкости и пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для осуществления этого способа. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления.

Известны способы контроля датчиками уровня жидкости с использованием электрических схем. Примером может служить датчик уровня жидкости для бака транспортного средства (патент РФ №2284481).

Однако применение такого способа является пожароопасным вследствие наличия электрических цепей, по сути, в баке транспортного средства, и не всегда надежным, т.к. в сигнальных проводах могут возникать наводки - как от собственных силовых сетей, так и от стороннего электромагнитного излучения.

Известны волоконно-оптические датчики уровня жидкости, лишенные этих недостатков. Примером может служить волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости (патент РФ №2297602), в котором используется эффект отражения на границе раздела сред - стекла и воздуха. Часть оптического сигнала от излучателя, подводимого в измеряемую емкость оптическим волокном, отражается на границе раздела и возвращается по оптическим волокнам к фотоприемнику. При подъеме уровня жидкости до сенсорной части датчика границей раздела сред становятся стекло и жидкость, коэффициенты преломления которых близки. Уровень возвратного сигнала резко падает, и перепад фиксируется. Такой датчик позволяет определять не только уровень жидкости, но и ее тип: например, вода и керосин имеют разные показатели преломления и соответственно, разные коэффициенты френелевского отражения на границе сред. Конструкция чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости обладает высокой искровзрывобезопасностью.

Однако датчики такого типа обладают определенными эксплуатационными недостатками. В процессе освобождения световода от жидкости на его торце некоторое время остается истончающаяся пленка жидкости, при этом возникает своеобразное просветляющее покрытие переменной во времени толщины.

Результатом взаимодействия излучения, поступающего по световоду к торцу, с таким покрытием, будет переменный во времени отраженный сигнал, мощность которого зависит от толщины пленки и длины волны излучателя - до полного стекания пленки жидкости, ее полного испарения или стабилизации толщины. Это на несколько секунд, а иногда до минут может задержать получение точного результата. Колебания сигнала могут достигать 5 дБ и более, что на подвижных объектах, например, в топливных баках летательных аппаратов, может быть истолковано как колебания уровня топлива в зоне датчика в результате маневра летательного аппарата или атмосферных возмущений (“болтанки”), в то время как его реальный расход уже значительно выше. Поэтому такой способ измерения уровня жидкости нельзя признать полностью надежным.

Цель изобретения - создание надежного способа измерения уровня жидкости и пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для осуществления этого способа. Это достигается тем, что оптический сигнал одного излучателя подают по оптическим волокнам одновременно не менее чем на два торца чувствительных элементов, находящиеся на одном уровне, и фиксируют ряд отраженных обратно в волокно от торцов сигналов, а результат оценивают либо по суммарному отраженному сигналу, либо по наименьшему значению потерь на отдельном торце, выбранному из этого ряда измерений. Отраженные сигналы разделяют по времени их прихода на единый фотоприемник, причем паузу между первым и последним отраженным сигналом первой серии отражений задают меньшей, чем паузу между импульсами источника излучения, а паузу между приходом на фотоприемник соседних отраженных сигналов серии задают большей, чем длительность этих сигналов.

Устройство для реализации этого способа включает источник излучения, приемник излучения, оптически сопряженные с выходными полюсами направленного волоконно-оптического разветвителя, причем в устройстве использован направленный разветвитель не менее, чем Х-типа, входные полюса которого оптически сопряжены с торцами чувствительных элементов датчиков, а в выходные порты разветвителя, начиная со второго, включены линии оптической задержки в виде отрезков оптического волокна, длина которых является функцией от паузы между импульсами источника излучения и индивидуальна для каждого канала.

Заявленные признаки являются существенными:

Когда толщина слоя жидкости на торце датчика (по сути - просветляющего покрытия, т.к. коэффициент преломления у многих жидкостей меньше, чем у световода) равняется или кратна 1/4 длины волны излучения, лучи, отраженные от ее наружной и внутренней сторон, гасятся вследствие интерференции и их интенсивность становится равной нулю, т.е. датчик фиксирует ложное срабатывание, показывает наличие жидкости.

Простое дублирование канала, резко снижающее вероятность ложного срабатывания, не только затратно, но и неудобно вследствие расхождения параметров излучателей и фотоприемников в партии датчиков. Целесообразнее использование одного и того же излучателя и приемника для засветки и фиксации отраженного сигнала сразу от нескольких торцов чувствительных элементов датчика. Возможна оценка по суммарному отраженному сигналу при малом количестве чувствительных элементов, но при 4 и более целесообразна раздельная подача отраженных сигналов на фотоприемник. Эта задача была решена созданием датчика с линиями задержки различной и строго определенной длины на каждом из оптических каналов, подводящих излучение к торцам чувствительных элементов, что и было достигнуто в представленном решении.

На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов оптической схемы:

Датчик состоит из двух чувствительных элементов: волоконных световодов 1 с сигнальными торцами 2, подводящих волоконных световодов 3, направленного волоконно-оптического Х-разветвителя 4. К входным полюсам разветвителя 4 через передающий волоконный световод 5 и приемный волоконный световод 6 подключаются источник излучения 7 и фотоприемник 8 соответственно. Один из выходных полюсов разветвителя 4 подключен к подводящему световоду 3 напрямую, второй полюс - через оптическую линию задержки 9. Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.

Возможны варианты схем, например, большее, чем 2, количество выходных полюсов и линий задержки.

1. Способ контроля уровня жидкости, включающий погружение одного из торцов волоконного световедущего элемента в контролируемую емкость, засветку второго торца световедущего элемента и последующую оценку мощности отраженного от погруженного торца сигнала, отличающийся тем, что оптический сигнал одного излучателя подают одновременно не менее чем на два торца волоконных световедущих чувствительных элементов, находящиеся на одном уровне, и фиксируют ряд отраженных от торцов сигналов, а результат оценивают.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оценку ведут по суммарному отраженному сигналу.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оценку ведут по наименьшему значению потерь на отдельном торце, выбранному из этого ряда измерений, при этом отраженные сигналы разделяют по времени их прихода на единый фотоприемник, причем паузу между первым и последним отраженным сигналами первой серии отражений задают меньшей, чем паузу между импульсами источника излучения, а паузу между приходом на фотоприемник соседних отраженных сигналов серии задают большей, чем длительность этих сигналов.

4. Устройство для реализации способа по пп. 1, 3 включающее источник излучения, приемник излучения, оптически сопряженные с выходными полюсами направленного волоконно-оптического разветвителя, отличающийся тем, что устройство содержит направленный разветвитель не менее чем Х-типа, входные полюса которого оптически сопряжены с торцами чувствительных элементов датчиков, а в выходные порты разветвителя, начиная со второго, включены линии оптической задержки в виде отрезков оптического волокна, длина которых является функцией от паузы между импульсами источника излучения и индивидуальна для каждого канала.