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. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости включает в себя источник излучения, приемник излучения, оптически сопряженные с выходными полюсами направленного волоконно-оптического разветвителя Y-типа, входной полюс которого оптически сопряжен с торцом чувствительного элемента датчика, включающим торец волоконного световода и наконечник для отвода жидкости, при этом волоконный световод защищен корпусом, на который устанавливается механически сопряженный с боковой поверхностью и участком периметра торца корпуса наконечник, зеркально асимметричный не менее чем одной оси, лежащей в плоскости, проходящей через вершину корпуса и перпендикулярной оптической оси световода. Техническим результатом является создание надежного, пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для широкого диапазона измеряемых жидкостей. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

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

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

Однако такое устройство 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.

Конструкция описывается, как технологичная в изготовлении, однако выполнение чувствительного элемента в виде стержня круглого сечения из оптически прозрачного материала со строго заданными формулой геометрическими параметрами и его последующая оптическая юстировка в невидимом ИК-диапазоне вряд ли могут быть признаны технологичными. Несколько отводящих волокон с их обязательной юстировкой на деле не обеспечивают высокого уровня сигнала, т.к. соотношение диаметров оптического волокна и световедущей жилы в заявке трактуется, как 2,5. Простые расчеты показывают, что даже оптимальная (гексагональная) укладка волокон позволяет возвратить менее 10% излучения, в то же время обычное френелевское отражение на границе раздела стекло-воздух дает около 4%.

В то же время и схемы с френелевским отражением имеют недостатки. Главный из них (как показала практика) состоит в отсутствии элемента для отвода воды с выходного торца световода, и любая капля, оставшаяся на торце чувствительного элемента, резко изменяет показания датчика.

Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости (патент РФ №2429453) имеет элемент, который должен препятствовать формированию капли. В нем выходной торец световода, который контактирует с жидкостью, механически связан с наконечником для отвода жидкости.

Недостатком такого сигнализатора является то, что он заявлен, как использующий и торцевую поверхность оптического световода (френелевское отражение), и боковую (полное внутреннее отражение), т.е. хрупкий волоконный световод обнажен на значительной длине, что делает невозможным использование датчика в подвижных объектах, подверженных перегрузкам и вибрации (например, летательные аппараты). В то же время при диаметрах световода 400 мкм и выше на торце световода образуется устойчивая капля контролируемой жидкости. Для ликвидации этого эффекта в прототипе были применены наконечники, выполненные из тонкой нити, проволоки или металлической пластины.

Однако практика показывает, что в случае применения в схемах датчиков оптического волокна, вклеенного в защитный корпус (например, керамический наконечник), предложенное решение не является универсальным. Многое зависит от вида жидкости, ее температуры, вязкости, положения торца (вертикальное или горизонтальное), смачиваемости материала защитного корпуса и наконечника, формы наконечника. При горизонтальном расположении (например, в стенке топливного бака летательного аппарата) капля просто удерживается между торцом корпуса и наконечником. Возникает ложный сигнал о наличии жидкости на данном уровне в резервуаре. Этот же недостаток может быть присущ и проходным волоконно-оптическим датчикам уровня жидкости, в которых излучение проходит в зазоре между торцами двух оптически согласованных волоконных световодов, если применять в них схему каплеудаления, заявленную в прототипе.

Форма наконечника в формуле изобретения отсутствует, на рисунке представлен один из возможных вариантов, указанных в тексте заявки - “наконечник, выполненный из тонкой нити, проволоки…”. Наконечник в виде пластины, также представленный в тексте прототипа, выполненный, например, кольцевым по периметру корпуса, фиксирующего волокно, может отводить каплю, но с высокой степенью вероятности при подъеме жидкости формирует воздушный пузырь на торце волокна, исключающий срабатывание датчика.

Цель изобретения - создание надежного, пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для широкого диапазона измеряемых жидкостей. Это достигается тем, что в предлагаемом датчике волоконный световод защищен корпусом, на который устанавливается механически сопряженный с боковой поверхностью и участком периметра торца корпуса наконечник, зеркально асимметричный не менее чем одной оси, лежащей в плоскости, проходящей через вершину чувствительного элемента и перпендикулярной его оптической оси.

Угловой размер наконечника между крайними точками его контакта с торцевой поверхностью чувствительного элемента - менее 180°.

Варианты исполнения:

Край наконечника в точке касания с образующей и торцом корпуса не перпендикулярен плоскости, проходящей через вершину чувствительного элемента и перпендикулярной его оптической оси.

Наконечник содержит сквозной продольный разрез не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина разреза - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.

Наконечник содержит не менее двух элементов, формирующих сквозной продольный зазор не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина зазора - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.

Наконечник содержит не менее двух элементов с возможностью их взаимного перемещения, формирующих регулируемый сквозной продольный зазор не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина разреза - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.

Торец корпуса выполнен из не смачиваемого измеряемой жидкостью материала, а наконечник - из смачиваемого материала.

Торец корпуса и наконечник выполнены из смачиваемого измеряемой жидкостью материала, причем смачиваемость наконечника выше.

Торец корпуса имеет гидрофобное покрытие, прозрачное для рабочей длины волны датчика.

Торец корпуса имеет олеофобное покрытие, прозрачное для рабочей длины волны излучателя датчика.

Толщина покрытия торца корпуса не кратна четверти длины волны излучателя датчика.

Наконечник, зеркально асимметричный не менее чем одной оси, лежащей в плоскости, проходящей через вершину чувствительного элемента и перпендикулярной его оптической оси - необходимое, но не достаточное условие работоспособности датчика. Зеркально симметричным по любой из указанных осей может быть только наконечник со сплошной равновысокой кромкой, выступающей за пределы торца чувствительного элемента - именно такой вариант, допустимый формулой прототипа, но неработоспособный, допускает формирование воздушного пузыря на торце при подъеме жидкости.

Отсутствие симметрии само по себе еще не гарантирует работоспособности датчика, но наличие в конструкции других отличительных признаков в различных вариантах сочетания обеспечивает его работоспособность в нормальных условиях эксплуатации для широкого ряда жидкостей, например, сжиженных газов, легко воспламеняющихся жидкостей, ряда кислот и т.п.как при вертикальном, так и при горизонтальном расположении датчика.

Заявленные признаки являются существенными, т.к. в отличие от прототипа позволяют исключить ложное срабатывание от образовании на торце воздушных пузырей при вертикальном положении датчика, от зависающей капли при горизонтальном положении датчика, которое особенно важно для топливных баков летательных аппаратов. Наличие прорези (зазора) в смачиваемом наконечнике обеспечивает надежное стекание жидкости за счет создания капиллярного эффекта, косой переход с поверхности торца на наконечник способствует перетеканию капли в область капиллярного зазора и вытягиванию жидкости с торца на нижнюю часть наконечника. Возможность регулировки зазора позволяет настраивать датчик на тип жидкости в зависимости от вязкости - например, на авиакеросин или дизельное топливо.

На Фиг. 1 показано размещение деталей одного из вариантов конструкции:

Корпус 1 выполнен из материала, не смачиваемого контролируемой жидкостью. В корпус вклеено оптическое волокно 2, например, стандартное одномодовое 9,5/125 мкм. На корпус 1 установлен наконечник 3 из материала, смачиваемого контролируемой жидкостью. Угловой размер D наконечника между (крайними) точками его контакта с торцевой поверхностью чувствительного элемента - менее 180°. Часть наконечника. выходящая за торец корпуса, имеет сквозной продольный разрез, длина которого В - не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, а ширина разреза А - менее минимального размера капли, формирующейся на торце корпуса. Длина Е выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли. Край наконечника в точке касания с торцом корпуса расположен под углом С, меньшим 90° к плоскости, проходящей через вершину чувствительного элемента и перпендикулярной его оптической оси.

На Фиг. 2 показано размещение деталей второго варианта конструкции:

На корпус 1 установлен наконечник 3 из материала, смачиваемого контролируемой жидкостью. Элементы наконечника, выходящие за торец корпуса, формируют сквозной продольный зазор, длина которого В - не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, а ширина зазора А - менее минимального размера капли, формирующейся на торце корпуса. Длина Е выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.

На Фиг. 3 показано размещение деталей третьего варианта конструкции:

На корпус 1 установлен парный наконечник из материала, смачиваемого контролируемой жидкостью. Наконечник состоит из двух элементов 4 и 5 с возможностью их взаимного перемещения, формирующих регулируемый сквозной продольный зазор, длина которого В - не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, а регулируемая ширина зазора А - менее минимального размера капли, формирующейся на торце корпуса. Длина Е выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.

На Фиг. 3 показано размещение деталей третьего варианта конструкции:

На корпус 1 установлен парный наконечник из материала, смачиваемого контролируемой жидкостью. Наконечник состоит из двух элементов 4 и 5 с возможностью их взаимного перемещения, формирующих регулируемый сквозной продольный зазор, длина которого В - не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, а регулируемая ширина зазора А - менее минимального размера, формирующейся на торце корпуса. Длина Е выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли. Регулировка зазора по ширине позволяет устанавливать его оптимальное значение в зависимости от вязкости измеряемых жидкостей.

На Фиг. 4 показана оптическая схема одного из вариантов датчика:

2 - оптическое волокно чувствительного элемента,

6 - оптический разветвитель,

7 - передающее оптическое волокно,

8 - приемное оптическое волокно,

9 - излучатель,

10 - фотоприемник.

1. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, включающий источник излучения, приемник излучения, оптически сопряженные с выходными полюсами направленного волоконно-оптического разветвителя Y-типа, входной полюс которого оптически сопряжен с торцом чувствительного элемента датчика, включающим торец волоконного световода и наконечник для отвода жидкости, отличающийся тем, что волоконный световод защищен корпусом, на который устанавливается механически сопряженный с боковой поверхностью и участком периметра торца корпуса наконечник, зеркально асимметричный не менее чем одной оси, лежащей в плоскости, проходящей через вершину корпуса и перпендикулярной оптической оси световода.

2. Сигнализатор уровня жидкости по п. 1, отличающийся тем, что угловой размер наконечника между (крайними) точками его контакта с торцевой поверхностью корпуса чувствительного элемента - менее 180°.

3. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1, 2, отличающийся тем, что край наконечника в точке касания с образующей и торцом корпуса не перпендикулярен плоскости, проходящей через вершину корпуса и перпендикулярной оптической оси волоконного световода.

4. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-3, отличающийся тем, что наконечник содержит сквозной продольный разрез не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина разреза - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.

5. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-3, отличающийся тем, что наконечник содержит не менее двух элементов, формирующих сквозной продольный зазор не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина зазора - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.

6. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-3, отличающийся тем, что наконечник содержит не менее двух элементов с возможностью их взаимного перемещения, формирующих регулируемый сквозной продольный зазор не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина зазора - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.

7. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-6, отличающийся тем, что торец корпуса выполнен из не смачиваемого измеряемой жидкостью материала, а наконечник - из смачиваемого материала.

8. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-6, отличающийся тем, что торец корпуса и наконечник выполнены из смачиваемого измеряемой жидкостью материала, причем смачиваемость наконечника выше.

9. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-6, 8, отличающийся тем, что торец корпуса имеет гидрофобное покрытие, прозрачное для рабочей длины волны датчика.

10. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-6, 8, отличающийся тем, что торец корпуса имеет олеофобное покрытие, прозрачное для рабочей длины волны датчика.

11. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-6, 8-10, отличающийся тем, что толщина покрытия, прозрачного для рабочей длины волны датчика, не кратна четверти длины волны излучателя датчика.