СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01F23/22 G01F23/292 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика наличия жидкости в емкостях, составной части в различных автоматизированных системах управления и контроля, например в нагнетательных трубопроводах высокого давления дизельных двигателей различного назначения.

Известен уровнемер для жидкости [1]. Он содержит излучатель, фотоприемник, направляющую трубку, в которой размещен поплавок. Вдоль светопроводной направляющей трубки размещены попарно световоды, предназначенные для подвода к оптическому элементу обработки светового сигнала, установленному на поплавке. Высота оптического элемента обработки светового сигнала выполнена больше шага вертикального размещения световодов.

Недостатком устройства является то, что такая конструкция не позволяет использовать его, например, для регистрации наличия топлива в нагнетательных трубопроводах дизельных двигателей, в частности судовых дизелей.

Известен уровнемер жидкости [2], принятый за прототип. Он содержит источник и приемник направленного излучения, оптически связанные через блоки ввода и вывода с телом перемещения в виде поплавка с отражателем, при этом приемник излучения электрически связан через усилитель с входом цифрового коммутатора, выход которого соединен с источником излучения и входом частотомера, выход которого сопряжен с ЭВМ. Внутри цилиндрического корпуса содержится калибровочный канал, оптически связанный с источником излучения через светоделительное устройство, поворотное зеркало и возвратную призму со вторым приемником излучения.

Недостатками устройства являются сложность конструкции и высокая стоимость.

Изобретение решает задачу упрощения конструкции и ее сборки, а также снижения стоимости устройства.

Поставленная задача решается за счет того, что в сигнализаторе уровня жидкости, содержащем корпус, источник излучения, отражатель, приемник излучения, устройство обработки сигнала, в соответствии с изобретением в центральной части корпуса выполнена рабочая полость с крышкой, в которой расположен отражатель, размещенный на оправе с двумя параллельными вертикальными каналами, в одном из которых установлен источник излучения, а во втором - приемник излучения, соединенный с устройством обработки сигнала, которое закреплено на плате, размещенной внутри корпуса под оправой, причем оси источника излучения и приемника излучения равно удалены от геометрической оси симметрии отражателя, выполненного из материала, показатель преломления которого равен показателю преломления жидкости, при этом в нижней части боковой стенки рабочей полости выполнено отверстие для подачи жидкости, а в ее верхней части выполнено отверстие для слива жидкости, причем верхняя крышка выполнена в виде винта, а оправа соединена с корпусом с использованием резьбового соединения.

Сущность изобретения заключается в следующем. Сигнализатор уровня жидкости построен на использовании эффекта потери полного внутреннего отражения на границе двух оптических сред с разными показателями преломления.

Эффект заключается в следующем. Пусть на границу двух оптических сред с показателями преломления n и n' (называемую преломляющей поверхностью) из среды с показателем преломления n падает луч А, орт которого составляет угол ω с нормалью к данной поверхности в точке падения. Согласно закону преломления Снеллиуса на границе указанных оптических сред будет иметь место изменение направления орта луча А таким образом, что орт выходящего луча будет составлять с нормалью угол ω'. При этом должно выполняться условие закона преломления

Произведение показателя преломления на синус угла, образованного лучом с нормалью в точке падения, остается постоянным при взаимодействии луча с преломляющей поверхностью. Из формулы (1) вытекает, что при переходе из среды оптически менее плотной (n<n') в среду более плотную луч, преломляясь, пригибается к нормали. В противном случае (если n>n') луч, наоборот, отклоняется от нормали и поэтому Показатель преломления воздуха относительно пустоты (вакуума) мало отличается от единицы n_в=1,00027. Поэтому в оптотехнике принято определять показатели преломления не относительно пустоты, а относительно воздуха. При этом показатель преломления воздуха принимается равным единице.

Итак, если луч проходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, то есть то по закону преломления Поэтому, если увеличивать угол ω, то будет расти и угол ω', который всегда больше угла ω. При некотором значении ω₀ угла ω угол ω' станет равным 90°, а его синус - единице. То есть преломленный луч скользит по преломляющей поверхности. Подставив это значение в закон преломления, найдем угол ω₀

Если луч образует угол падения, превосходящий ω₀, то все излучение целиком отражается от преломляющей поверхности, как от идеального зеркала, несмотря на то, что преломляющая поверхность прозрачна. Это явление называется полным внутренним отражением, а угол ω₀, определяемый формулой (2), называется предельным углом полного внутреннего отражения. Если полное внутреннее отражение происходит на границе стекло - воздух, то

При часто применяемом стекле марки К8 для зеленой линии спектра n=1,5163 и ω₀≈41°16'. Поэтому, если взять призму БР - 180° и направить излучение светодиода под углом 45° к наклонным граням, поток излучения не выйдет за их пределы, а отразившись от них, выйдет через гипотенузную грань призмы в обратном направлении.

В нашем случае, этот поток частично будет воспринят фотоприемником (фототранзистором или фотодиодом) и может быть зарегистрирован. Если грани призмы будут погружены в жидкость, например в дизельное топливо, имеющее показатель преломления, равный примерно 1,6, то явление полного внутреннего отражения будет нарушено и весь поток излучения (за исключением пренебрежимо малой доли отраженной составляющей,) выйдет из призмы наружу и будет поглощен в самом топливе. Попадающее на фотоприемник излучение в этом случае будет пренебрежимо мало, и сигнал с фотоприемника уменьшится во много раз. Этот эффект используется для принятия решения о наличии жидкости в анализируемом объеме.

В известной системе производится оценка некоторого уровня уменьшения сигнала при опускании призмы в жидкость (или, что то же самое, при повышении уровня жидкости), что позволяет судить о достигнутом уровне жидкости. Поэтому такие датчики и называют сигнализаторами уровня. В нашем случае заполнение анализируемого объема идет снизу и регистрируется собственно факт наличия жидкости (топлива) в контролируемом трубопроводе аварийного контура системы питания дизельного двигателя.

Предложенное конструктивное решение устройства позволяет свести до минимума количество необходимых конструктивных элементов, что существенно упрощает конструкцию и позволяет снизить ее стоимость. Кроме того, использование резьбового соединения для крепления в корпусе оправы с отражателем, а также верхней крышки, роль которой выполняет специальный винт, позволяет упростить процесс сборки устройства, а также его технического обслуживания и профилактики.

На фиг.1 изображен общий вид сигнализатора уровня жидкости.

На фиг.2 изображена схема, поясняющая принцип действия сигнализатора уровня.

Сигнализатор уровня жидкости содержит корпус 1, отражатель в виде оптической призмы 2 (в данном конкретном случае БР-180), верхнюю крышку в виде винта 3 с кольцом 4, вертикальную цилиндрическую рабочую полость 5. Внутри корпуса 1 на резьбе установлена оправа 6, в вертикальных каналах которой размещены источник излучения 7 и приемник излучения 8, выполненный, например, на фототранзисторе. Оси источника излучения 7 и приемника излучения 8 равно удалены от геометрической оси симметрии призмы 2. Боковая стенка рабочей полости 5 снабжена в нижней части отверстием 9 для подачи топлива, а в верхней части - отверстием 10 для слива топлива. Внутри корпуса 1 закреплена плата 11 при помощи винтов 12. На плате 11 крепится устройство обработки сигнала (на фиг.1 не показано). В нижней части корпуса 1 на резьбе установлена заглушка 13, снабженная прокладкой 14.

Устройство работает следующим образом. Так как в данном случае сигнализатор уровня жидкости используется в качестве датчика утечки топлива и предназначен для регистрации наличия топлива в нагнетательных трубопроводах высокого давления дизельных двигателей различного назначения, то в обычном режиме, т.е. при отсутствии жидкого топлива в рабочей полости 5 (см. фиг.2) световой поток от источника излучения 7 попадает на боковую грань призмы 2 под углом 45°, не выходит за пределы призмы, а отражается от боковых граней, выходит через гипотенузную грань призмы в обратном направлении, воспринимается приемником излучения 8 и регистрируется наличие сигнала устройством обработки сигнала. В случае наличия топлива в аварийном контуре трубопровода жидкое топливо начинает поступать через отверстие 9 в рабочую полость 5 и заполняет ее. При этом оптическая призма 2 оказывается погруженной в жидкое топливо. В этом случае явление полного внутреннего отражения будет нарушено и весь световой поток от источника излучения 7 выйдет из призмы 2 наружу и будет поглощен в самом топливе. Попадающее на приемник 8 излучение в этом случае будет пренебрежимо мало, и сигнал с приемника 8 уменьшится во много раз, а устройство обработки сигнала вырабатывает сигнал тревоги (аварии).

Литература

1. RU 2183316 C1, 08.11.2000, G 01 F 23/00.

2. RU 2161782 С2, 05.03.1999, G 01 F 23/292 (прототип).

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика наличия жидкости в емкостях, в частности в нагнетательных трубопроводах высокого давления дизельных двигателей различного назначения. Сущность: сигнализатор содержит корпус, источник излучения, отражатель, приемник излучения и устройство обработки сигнала. В центральной части корпуса выполнена рабочая полость, в которой расположен отражатель, размещенный на оправе с двумя параллельными вертикальными каналами. В одном из каналов установлен источник излучения, а во втором - приемник излучения. При этом источник излучения и приемник излучения соединены с устройством обработки сигнала, закрепленным на плате. Плата размещена внутри корпуса под оправой. В нижней части боковой стенки рабочей полости выполнено отверстие для подачи жидкости, а в верхней ее части - отверстие для слива. Верхняя крышка полости выполнена в виде винта, а оправа соединена с корпусом с использованием резьбового соединения. Технический результат: упрощение конструкции и ее сборки, а также снижение стоимости устройства. 2 ил.

Сигнализатор уровня жидкости, содержащий корпус, источник излучения, отражатель, приемник излучения, устройство обработки сигнала, отличающийся тем, что в центральной части корпуса выполнена рабочая полость, в которой расположен отражатель, размещенный на оправе с двумя параллельными вертикальными каналами, в одном из которых установлен источник излучения, а во втором - приемник излучения, соединенный с устройством обработки сигнала, которое закреплено на плате, размещенной внутри корпуса под оправой, причем оси источника излучения и приемника излучения равно удалены от геометрической оси симметрии отражателя, выполненного из материала, показатель преломления которого равен показателю преломления жидкости, при этом в нижней части боковой стенки рабочей полости выполнено отверстие для подачи жидкости, а в ее верхней части выполнено отверстие для слива жидкости, причем верхняя крышка полости выполнена в виде винта, а оправа соединена с корпусом с использованием резьбового соединения.