Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления, в т.ч. в нестационарных объектах. Предложен датчик для контроля уровня и типа жидкости, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения, передающий волоконный световод, чувствительный элемент, приемные соосный с подающим и внеосевые волоконные световоды и фотоприемники, подключенные к блоку обработки сигнала. Расстояние до внеосевых световодов от осевого является функцией рабочей длины волны излучения, зазора между приемным и передающим световодами и апертурных углов световодов для измеряемых сред. На свободном торце передающего световода чувствительного элемента сформирована призма Порро с ребром при вершине большего угла, проходящим через центр световедущей жилы и перпендикулярным плоскости, в которой расположены оптические оси световодов. Вариант исполнения: внеосевые приемные световоды расположены к оптической оси передающего световода под углом, не превышающим апертурные углы световодов для соответствующей их положению среды. Техническим результатом является создание помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости. 1 з.п. ф-лы, 3 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. Разность мощности френелевского отражения невелика, поскольку невелик и сам сигнал - 4% от вводимой мощности излучения для границы кварц-воздух. Для стационарных датчиков, работающих в нормальных условиях, это приемлемо, а датчики подвижных объектов, в частности летательных аппаратов, должны работать в условиях резких перепадов температур (-60…+85°С), вибрации и т.д. При этом дрейф сигнала на сигнальных волокнах может превышать разность сигналов от френелевского отражения на границе двух сред, что неприемлемо.
Известны также волоконно-оптические датчики уровня жидкости с приемным и передающим световодами, например а.с. SU 1275220. В этом случае излучение выходит из одного световода и принимается другим. Поскольку апертурный угол выходящего из световода излучения различен для воздуха и жидкости, различна и мощность принимаемого сигнала. Меняется апертурный угол и при смене жидкостей с различными показателями преломления, поэтому такую схему тоже можно использовать для определения типа жидкости. Однако и эта схема имеет тот же недостаток: т.к. разность показателя преломления жидкостей невелика, невелик и перепад мощности сигнала, в ряде случаев сопоставимый с погрешностью измерений.
Цель изобретения - создание помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости. Это достигается тем, что датчик содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения, передающий волоконный световод, чувствительный элемент, приемный волоконный световод и фотоприемник, подключенный к блоку обработки сигнала. Чувствительный элемент выполнен в виде установленных соосно в оправе с зазором двух отрезков волоконных световодов, одни торцы которых в зазоре оптически согласованы между собой, а другие оптически согласованы соответственно с передающим и приемным волоконными световодами. При этом чувствительный элемент также содержит внеосевые приемные световоды и фотоприемники, а расстояние между соосным и последующими внеосевыми приемными волоконными световодами является функцией рабочей длины волны излучения, апертурных углов световодов в измеряемых средах и расстояния между передающим и приемными световодами. Передающий торец световода выполнен в виде отражающих граней призмы Порро с ребром при вершине большего угла, проходящим через центр световедущей жилы и перпендикулярным плоскости, в которой расположены оптические оси световодов. Внеосевые приемные световоды могут быть расположены к оптической оси передающего световода под углом, не превышающим апертурный угол световода для соответствующей его положению среды.
Заявленные признаки являются существенными:
Когда чувствительный элемент датчика находится, например, в керосине, показатели преломления керосина и кварца практически совпадают, апертурный угол минимален и захватывает осевой приемный волоконный световод, который выдает сигнал на свой фотоприемник. В воздухе значительная часть сигнала не отражается, в отличие от классических схем геометрической оптики, от рабочих граней призмы обратно в световод, а распадается на гранях на два внеосевых луча и фиксируется на внеосевых световодах и фотоприемниках. Таким образом, датчик, бывший аналоговым для уровня жидкости и аналоговым для ее состава, становится по сути цифровым, дискретным, для уровня жидкости.
На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов конструкции:
Датчик состоит из передающего волоконного световода 1, приемных волоконных световодов 2, 3, 4, источника излучения 5 и фотоприемников 6, 7, 8, подключенных к блоку обработки сигнала (не указан). На свободном торце световода 1 сформированы отражающие грани призмы Порро. Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.
На Фиг. 2 показано прохождение излучения для варианта конструкции:
а) Ход лучей для воздуха. Засвечены световоды 2, 4.
б) Ход лучей для жидкости. Засвечен световод 3.
Фиг. 3: прохождение излучения для варианта конструкции. Внеосевые приемные световоды расположены к оптической оси передающего световода под углом:
а) Ход лучей для воздуха. Засвечены световоды 2, 4.
б) Ход лучей для жидкости. Засвечен световод 3.
Возможны варианты схем, например, один несоосный приемный световод.
1. Датчик для контроля уровня жидкости, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения, передающий волоконный световод, чувствительный элемент, приемный волоконный световод и фотоприемник, подключенный к блоку обработки сигнала, при этом чувствительный элемент выполнен в виде установленных в оправе с зазором двух отрезков волоконных световодов, одни торцы которых в зазоре оптически согласованы между собой, а другие оптически согласованы соответственно с передающим и приемным волоконными световодами, отличающийся тем, что датчик дополнительно содержит внеосевые приемные световоды и фотоприемники, причем расстояние от торцов внеосевых световодов до осевого световода является функцией рабочей длины волны излучения, зазора между приемным и передающим световодами и апертурных углов световодов для измеряемых сред, а на свободном торце передающего световода чувствительного элемента сформированы отражающие грани призмы Порро с ребром при вершине большего угла, проходящим через центр световедущей жилы и перпендикулярным плоскости, в которой расположены оптические оси световодов.
2. Датчик для контроля уровня жидкости по п. 1, отличающийся тем, что внеосевые приемные световоды расположены к оптической оси передающего световода под углом, не превышающим апертурный угол световода для соответствующей его положению среды.
