ДИСКРЕТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 1994 года по МПК G01F23/22 G01F23/70 

Изобретение относится к дискретным оптическим уровнемерам и может быть применено для измерения уровня как прозрачных, так и непрозрачных сред.

Известен дискретный оптический уровнемер, содержащий pасположенные по высоте контролируемого уровня преобразователи, выполненные в виде призм, основная грань которых пропускает световой поток, будучи погруженной в жидкость, и отражает его, когда находится вне жидкости, источник светового излучения, приемники светового излучения, световоды, одни из которых соединяют источники светового излучения с одним из вспомогательных граней призм, а другие соединяют вторые вспомогательные грани призм с приемниками излучения.

Недостатки данного устройства заключаются в низкой точности измерений, узком диапазоне измерения и применения, а также громоздкости чувствительных и световодных элементов, ограничивающей использование уровнемера для закрытых емкостей, особенно при избыточном давлении в них.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дискретный оптический уровнемер, содержащий расположенные по высоте контролируемой емкости стойки, на которых установлено n преобразователей уровня, подключенных через световоды одной к источнику светового излучения, а другой к указателю уровня. При этом преобразователи уровня выполнены в виде петлеобразных оголенных частей светопроводов в горизонтальной плоскости с чис лом поворотов более одного, а в уровнемер введены экраны, установленные между оголенными участками соседних светопроводов и между оголенными участками каждой петли. Расстояние между соседними преобразователями уровня выбирается в зависимости от требуемого числа дискретности измерения уровня. Указатель уровня содержит приемник светового излучения, подключенный к блоку обработки сигнала, который своим выходом подключен к регистрирующему прибору.

Недостатками такого дискретного оптического уровнемера являются низкая чувствительность, узкий диапазон области применения и сложная конструктивная схема.

Низкая чувствительность уровнемера обусловлена тем, что в случае нарушения условий полного внутреннего отражения на границе стекло-жидкость только часть светового потока проникает в жидкость, вследствие чего происходит только уменьшение падающего на приемник светового потока, а не полное исчезновение светового потока на выходе из оптического волокна.

Диапазон применения известного уровнемера определяется типом световода, используемого в качестве преобразователя (например, кварцевого, полимерного и др.) и определенным соотношением его показателя преломления и показателем преломления жидкости. Только для узкого диапазона, определяемого указанным соотношением показателей преломления световода в жидкости, может быть использован известный уровнемер.

Сложность конструктивной схемы уровнемера заключается в том, что она содержит приемник светового излучения, связанный с ним блок обработки сигнала и подключенный к блоку регистрирующее устройство.

Цель изобретения - повышение чувствительности, расширение области применения и упрощение конструктивной схемы.

Поставленная цель достигается тем, что в дискретном оптическом уровнемере, содержащем расположенные по высоте контролируемой емкости стойки, на которых установлены основные и дополнительные световоды, подключенные соответственно к источнику светового излучения и к приемнику. Свободные концы световодов расположены в боковых гранях призмы, имеющих цилиндрические выступы со сферическими торцами, на которые плотно установлены юстировочные втулки. Основание призмы установлено под углом 0-15^о к оси стоек.

Повышение чувствительности уровнемера достигается за счет выполнения преобразователей уровня в виде призмы, снабженной установленными на гранях призмы и обеспечивает создание параллельного потока световых лучей, падающих на основную грань призмы. Вследствие этого при контакте основной грани призмы с жидкостью, показатель преломления которой даже незначительно отличается от показателя преломления газовой среды, происходит нарушение полного внутреннего отражения в призме и изменение направления выхода светового потока, который не попадает на входной торец световода, соединенного с табло индикатора. Таким образом при контакте с жидкостью резко изменяется (уменьшается до нулевого значения) световой поток в световоде, связанным с табло индикации.

Указанные признаки обеспечивают при отсутствии жидкости отражение и происхождение через световод на табло индикации всего светового потока, поступающего от источника светового излучения через световод на призму. Поэтому изобретение обеспечивает больший диапазон изменения выходного светового потока по сравнению с прототипом, а значит и большую чувствительность.

Расширение области применения уровнемера достигается за счет того, что основание призмы установлено под углом 0-15^о к оси стоек, что обеспечивает стекание с основания призмы жидкостей при широком диапазоне их вязкостей без образования капель на ней, а также за счет того, что он может использоваться для измерения уровня всех жидкостей с показателем преломления выше показателя преломления газовой среды. Использование плотно насаженных юстировочных втулок обеспечивает постоянные условия для прохождения света на участках между торцами цилиндрических выступов призм независимо от параметров жидкости в емкости.

Упрощение конструктивной схемы достигается тем, что вследствие большого диапазона изменения выходного светового потока, передаваемого на табло индикации, возможно визуальное наблюдение за показаниями на табло индикации, а поэтому не обязательно использование блока обработки сигнала с регистрирующим устройством. Это обстоятельство достигается тем, что за счет использования цилиндрических выступов со сферическими торцами достигается согласование апертурных углов световых потоков, выходящих с торцов световода, соединенного с источниками светового излучения и поступающего на торец светопровода, соединенного с табло индикации, что обеспечивает передачу светового потока в призме с минимальными потерями, т.е. передачу большего светового потока по сравнению с прототипом при одинаковой мощности источника светового излучения.

На фиг.1 представлена общая схема устройства; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 - схема прохождения светового потока в преобразователе уровня.

Дискретный оптический уровнемер содержит расположенные по высоте контролируемой емкости 1 стойки 2, на которых установлено n преобразователей уровня 3, подключенных через световоды 4 одной стороной к источнику 5 светового излучения, а другой к указателю 6 уровня, каждый преобразователь 3 выполнен в виде призмы 7, основание 8 которой выполнено плоской и установлена под углом β=0-15^о к оси стоек 2 (см. фиг.2), а боковые грани 9 и 10 имеют цилиндрические выступы 11 и 12 со сферическими торцами 13 и 14, на которые плотно установлены втулки 15 и 16 с размещенными в них свободными концами световодов 4. На индикаторе 6 закреплены выходные торцы 17 световодов 4, присоединенные к боковым граням 9 призм 7. Выходные торцы 17 могут быть установлены вертикально (см. фиг.3) и около них указаны значения соответствующего доли объема емкости 1.

Уровнемер работает следующим образом.

При пустой емкости 1 основание 8 преобразователей 3 находятся в газовой среде и в призме 7 практически выполняются условия полного внутреннего отражения пучка лучей, идущего от источника 5 светового излучения через сферические торцы 13 и 14 и цилиндрические выступы 11 и 12. При этом световой поток от источника 3 попадает по световодам 4 на табло индикации 6, на котором светятся все выходные торцы световодов 4. Для обеспечения полного внутреннего отражения на основной грани призмы 7 другие грани 9 и 10 ее устанавливаются под углом, определяемым показателем преломления материала призмы 7 и показателем преломления газовой среды в емкости 1.

Поскольку торцы световодов 3 установлены в фокусе сферических торцев 13 и 14 цилиндрических выступов 11 и 12, расходящийся пучок световых лучей с торца оптического волокна 4, соединенного с источником излучения 5 преобразуется в параллельный пучок световых лучей, которые, отразившись от основной грани, поступают через цилиндрический выступ 12 и сферический торец 14 в виде сходящегося пучка световых лучей на торец 17 световода 4, установленного в индикаторе уровня 6. По мере заполнения емкости 1 преобразователи уровня 3 последовательно оказываются в жидкости. В этом случае нарушаются условия полного внутреннего отражения на границе призма-жидкость. Нарушение указанных условий приводит к тому, что световой поток весь проникает в жидкость и не попадает на торец световода 4, соединенного с указателем уровня 6, и выходные торцы 17 перестают светиться. Таким образом на указателе уровня 6 светятся только выходные торцы 17 световодов 3, связанных с преобразователями уровня 3, находящимися в газовой среде, и не светятся торцы 17 световодов 3, соединенных с преобразователями уровня 3, погруженными в жидкость.

Предложенная конструкция измерителя уровня обеспечивает наибольшую амплитуду изменения выходного сигнала, что позволяет использовать визуальное наблюдение за изменением показаний датчика на указателе уровня. Разработанная оптическая схема обеспечивает изменение выходного сигнала от максимального до нулевого уровня при отсутствии и наличии контакта с преобразователем уровня. Использование оптических волокон позволяет передавать оптический сигнал на расстояние в несколько десятков метров и измерять уровень в емкости без применения фотоприемников.

Наряду с указанными выше преимуществами предложенное устройство обеспечивает практически полную взрывоопасность при измерении уровня в емкостях с горючими и взрывоопасными жидкостями. Предложенное устройство может быть использовано для измерения уровня в топливных баках, например, автомобилей, в том числе работающих на сжиженном газе.

Кроме того, предложенное устройство имеет более высокую надежность по сравнению с прототипом за счет упрощения конструктивной схемы, а также меньшую энергопотребляемость.

Использование: изобретение может быть использовано для измерения уровня как прозрачных, так и непрозрачных сред. Дискретный оптический уровнемер содержит расположенные вертикально стойки, на которых закреплены основные и дополнительные световоды, подключенные соответственно к источнику светового излучения, а другой - к приемнику излучения. Уровнемер снабжен призмой, основание которой установлено под углом 0 - 15° к оси стоек, а боковые грани имеют цилиндрические выступы со сферическими торцами, на которые плотно установлены юстировочные втулки с размещенными в них свободными концами световодов. 3 ил.

ДИСКРЕТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР, содержащий вертикальные стойки, на одной из которых закреплены равномерно по высоте световоды, источник светового излучения, связанный с одним из концов каждого световода, и приемник излучения, отличающийся тем, что он снабжен призмами и дополнительными световодами, одни из концов которых связаны с приемником излучения, при этом дополнительные световоды закреплены на другой вертикальной стойке, боковые грани каждой призмы выполнены с цилиндрическими выступами со сферическими торцами, охваченными юстировочными втулками, в каждой из которых расположено по одному свободному концу соответствующего дополнительного и основного световодов, а основание призмы установлено под углом 0 - 15^o к оси вертикальных стоек.