ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 2010 года по МПК G01F23/292 

Описание патента на изобретение RU2383871C1

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения уровня жидких сред.

Известен волоконно-оптический измеритель уровня жидких сред, содержащий источник оптического излучения, многомодовый одноканальный волоконный световод, приемник оптического излучения, анализатор оптического излучения [1]. Волоконный световод выполнен с n изгибами, размещение которых соответствует определенным контролируемым значениям уровня жидкости.

На каждом изгибе световода происходит падение уровня мощности оптического излучения. Падение мощности на погруженном в жидкость изгибе больше, чем на не погруженном. Значение уровня жидкости определяется по изменению мощности светового излучения на входе и выходе световода.

Недостатком такого устройства является низкая чувствительность, малая точность измерений. Это связано с тем, что в известном устройстве каждый i-ый изгиб изготовлен с определенным радиусом Ri. Светопропускание волоконного световода на изгибе зависит от параметров световода, величины изгиба и свойств внешней среды (показателя преломления) [2, 3]. Так как мощность излучения после i-го изгиба является входной мощностью излучения для (i+1)-го изгиба, то увеличение количества изгибов, т.е. количества контролируемых точек измерения уровня жидкой среды, снижает чувствительность уровнемера из-за накапливающейся погрешности, и происходит уменьшение влияния показателя преломления исследуемой жидкой среды на выходные данные измерителя уровня жидких сред. При увеличении количества точек измерения, условие максимальной чувствительности волоконно-оптичесокго измерителя уровня жидких сред накладывает ограничение на минимальный радиус каждого изгиба Ri, что также ведет к уменьшению чувствительности каждого отдельного изгиба и, как следствие, приводит к общему уменьшению чувствительности измерителя уровня жидких сред.

Выходной сигнал известного волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред определяется величиной оптической мощности, выходящей из волоконного световода, которая зависит от величины мощности оптического излучения на выходе источника оптического излучения, суммы величин оптических потерь в местах изгибов волоконного световода. При увеличении количества точек измерения уровня жидких сред снижается точность измерителя уровня жидких сред, что обусловлено уменьшением абсолютных величин оптических потерь в волоконном световоде в каждой точке измерения уровня жидких сред из-за ограничения на минимальный радиус изгиба Ri, а также нестабильностью выходной мощности источника оптического излучения.

Технический результат, создаваемый изобретением, - повышение чувствительности и точности измерений волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред.

Указанный результат достигается тем, что волоконно-оптический измеритель уровня жидких сред, содержащий источник оптического излучения, волоконный световод, анализатор оптического излучения, снабжен поглотителем оптического излучения, размещенным между выходным торцом волоконного световода и анализатором оптического излучения, устройством обработки цифровых сигналов, при этом анализатор оптического излучения выполнен в виде спектрометра с выходным цифровым сигналом, волоконный световод выполнен в виде цилиндрической двуканальной связанной коаксиальной структуры, содержащей внутренний стержневой одномодовый волновод, разделительный слой и внешний трубчатый одномодовый волновод, выполненный с переменным показателем преломления по длине волоконного световода, и покрытый внешней оболочкой и защитным слоем, причем в защитном слое и оболочке волоконного световода выполнены технологические прорези для обеспечения контакта трубчатого волновода волоконного световода с измеряемой жидкой средой, выходной торец волоконного световода соединен с поглотителем оптического излучения, выполненным с возможностью поглощения оптического излучения из стержневого волновода и пропускания оптического излучения из трубчатого волновода на вход спектрометра, выход которого соединен с входом устройства обработки цифровых сигналов, а источник оптического излучения выполнен в виде одномодового широкополосного источника оптического излучения, выход которого соединен с волоконным световодом с возможностью введения светового потока в стержневой волновод волоконного световода.

На фиг.1 представлена блок-схема волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред.

На фиг.2 представлена структура волоконного световода и распределение показателей преломления в волоконном световоде.

На фиг.3 представлен вид волоконного световода, погруженного в измеряемую жидкую среду.

1 - одномодовый широкополосный источник оптического излучения, 2 - волоконный световод, выполненный в виде цилиндрической двуканальной связанной коаксиальной структуры, содержащей концентрически расположенные стержневой одномодовый волновод 6, разделительный слой 7, трубчатый одномодовый волновод 8, оболочку 9 и защитный слой 10, 3 - поглотитель оптического излучения, 4 - устройство спектрального анализа оптического излучения с выходным цифровым сигналом, 5 - устройство обработки цифровых сигналов.

Выход одномодового широкополосного источника оптического излучения 1 соединен с волоконным световодом 2. Стержневой волновод 6 предназначен для передачи оптического излучения по волоконному световоду 2. Трубчатый волновод 8 выполняет функцию отвода оптического излучения из стержневого волновода 6. Между стержневым волноводом и трубчатым волноводом находится концентрический разделительный слой 7. Трубчатый волновод покрыт оболочкой 9 и защитным слоем 10 (фиг.2). В защитном слое 10 и оболочке 9 волоконного световода 2 выполнены технологические прорези 11, доходящие по глубине до трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 для обеспечения контакта трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 с измеряемой жидкой средой в заданных точках измерения уровня. Выходной торец волоконного световода 2 соединен с поглотителем оптического излучения 3, поглощающим оптическое излучение из стержневого волновода 6 и пропускающим оптическое излучение из трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 на вход устройства спектрального анализа оптического излучения с выходным цифровым сигналом 4. Выход устройства спектрального анализа оптического излучения 4 соединен с входом устройства обработки цифровых сигналов 5.

Волоконно-оптический измеритель уровня жидких сред работает следующим образом. Волоконный световод 2 помещают вертикально в измеряемую жидкость 12 (фиг.3). Световой поток от одномодового широкополосного источника оптического излучения 1 вводят в стержневой волновод волоконного световода 2. Если уровень измеряемой жидкости находится выше какой-либо прорези, например 11.1, на волоконном световоде, то жидкость 12 с показателем преломления nж контактирует с трубчатым волноводом 8 волоконного световода 2 в этой точке, что обеспечивает удовлетворение условия полной связи стержневого волновода 6 и трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 на некоторой длине волны λ. При этом значительная часть оптического излучения на этой длине волны λ в данной точке 11.1 перетекает из стержневого волновода 6 в трубчатый волновод 8 волоконного световода 2. В результате, на выходе трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 образуется спектральная полоса оптического излучения со средней длиной волны λ, а оптическое излучение на выходе стержневого волновода 6 поглощается поглотителем оптического излучения 3. В любой другой точке волоконного световода, контактирующей с измеряемой жидкой средой 12, например 11.2, показатель преломления трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 имеет другую величину, в связи с чем, полная связь трубчатого волновода 8 и стержневого волновода 6 волоконного световода 2 будет достигаться на другой длине волны λ', и на выходе трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 образуется другая спектральная полоса оптического излучения со средней длиной волны λ'.

В результате взаимодействия внешней измеряемой жидкой среды 12 с волоконным световодом 2 в некоторых точках, в частности 11.1, 11.2, в трубчатом волноводе 8 волоконного световода 2 появляется полосатый спектр оптического излучения, каждая полоса которого соответствует своей измеряемой точке жидкой среды, где присутствует жидкость. В тех точках волоконного световода, где измеряемая жидкая среда не присутствует, например 11.3, то есть находится ниже или выше этих точек, условие полной связи стержневого волновода 6 волоконного световода и трубчатого волновода 8 волоконного световода обеспечиваться не будет, и выходной спектр оптического излучения трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 не будет содержать полос, соответствующих этим точкам.

Оптическое излучение из волоконного световода 2, находящегося в контакте с измеряемой жидкой средой, поступает на поглотитель оптического излучения 3, который поглощает оптическое излучение из стержневого волновода 6 и пропускает оптическое излучение из трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 на вход спектрометра с выходным цифровым сигналом. Спектрометр 4 производит анализ спектра оптического излучения из трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 и передает результаты на вход устройства обработки цифровых сигналов 5. Устройство обработки цифровых сигналов 5 осуществляет с заданной периодичностью опрос спектрометра 4, цифровую обработку измерительной информации, внесение поправки на основе хранящихся в нем данных, полученных на этапе предварительной калибровки волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред, сохранение результатов обработки информации во внутренней энергонезависимой памяти, накопление информации и выдачу информации по командам, поступающим по внешнему цифровому интерфейсу устройства обработки цифровых сигналов 5. Уровень жидкой среды определяется на выходе устройства обработки цифровых сигналов 5 по количеству и расположению спектральных полос оптического изучения в заданном диапазоне длин волн, соответствующих контрольным точкам измерения уровня.

Так как оптическое излучение анализируется на наличие или отсутствие спектральных полос, то нестабильность мощности источника оптического излучения не вносит существенных погрешностей в работу устройства, и в связи с этим отпадает необходимость в использовании специальной схемы стабилизации источника оптического излучения.

Диаметры и показатели преломления волоконного световода 2 подобраны так, что в точках измерения уровня жидкой среды удовлетворяется условие полной связи стрежневого волновода 6 и трубчатого волновода 8 волоконного световода 2, если внешняя среда, контактирующая с трубчатым волноводом 8 волоконного световода 2 через технологическую прорезь 11 в оболочке 9 и защитном слое 10 волоконного световода 2, имеет показатель преломления nж, равный известному показателю преломления измеряемой жидкой среды. Ширина каждой прорези 11 в волоконном световоде 2 выбирается равной длине биения Lб световой волны длиною λ, для которой выполняется условие полной связи стержневого 6 и трубчатого 8 волноводов волоконного световода 2, при контакте измеряемой жидкой среды с волоконным световодом в зоне данной прорези.

Условие полной связи между стрежневым 6 и трубчатым 8 волноводами волоконного световода 2 возникают при равенстве постоянных распространения оптического излучения βrt,

где βr и βt - постоянные распространения оптического излучения в стержневом волноводе 6 и трубчатом волноводе 8 волоконного световода 2 соответственно. Причем

βr =fr(n1, n2, r1, λ), βt =ft(n2, n3, n4, n5, r2, r3, λ, х),

где n1, n2, n3, n4 - показатели преломления стержневого волновода 6, разделительного слоя 7, трубчатого волновода 8, оболочки 9 волоконного световода 2; n5 - показатель преломления внешней среды 12 или 13; r1, r2, r3 - радиусы стержневого волновода 6, разделительного слоя 7, трубчатого волновода 8 волоконного световода 2; λ - длина волны светового потока, от источника оптического излучения 1, для которой удовлетворяется условие полной связи стержневого волновода 6 волоконного световода и трубчатого волновода 8 волоконного световода; х - расстояние от уровня минимально детектируемого количества жидкой среды 12 до данной точки волоконного световода 2.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить чувствительность и точность волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред за счет применения спектрального принципа действия измерителя. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить возможность измерения уровня жидкости, толщиной от нескольких миллиметров, и позволяет контролировать наличие измеряемой жидкой среды в десятках заданных точек. Так как волоконный световод не подвержен деформациям во время эксплуатации, то также увеличивается его долговечность и срок службы.

Изобретение может быть использовано для измерения уровня жидких сред как на границе с газовыми средами, так и на границе с другими жидкими средами.

Литература

1. Бусурин В.И., Гаврилин Б.Н., Жеглов М.А. Датчик уровня жидких сред с несколькими последовательными изгибами волоконного световода // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007, №8, с.42-44.

2. Затыкин А.А., Моршнев С.К., Францессон А.В. Взаимодействие излучения с поглощающей средой на участке световода с крутым изгибом // Квантовая электроника. 1983. №11.

3. Патлах А.Л., Семенов А.С. Светопропускание многомодовых оптических волокон // Квантовая электроника. 1983. №4.

Похожие патенты RU2383871C1

название год авторы номер документа
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ 2003
  • Бусурин В.И.
  • Коробков В.В.
RU2248533C1
Оптоволоконный преобразователь температуры 2023
  • Бусурин Владимир Игоревич
  • Жеглов Максим Александрович
  • Казарьян Александр Викторович
  • Коробков Вадим Владимирович
  • Коробков Кирилл Андреевич
  • Штек Сергей Георгиевич
RU2816112C1
ВИХРЕВОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ РАСХОДОМЕР 2000
  • Бусурин В.И.
  • Садовников В.В.
RU2181878C1
Многофункциональный интерферометрический оптоволоконный преобразователь 1989
  • Прохоров Николай Иванович
  • Бусурин Владимир Игоревич
  • Садовников Виктор Иванович
  • Дмитриев Виктор Петрович
SU1620818A1
Оптоэлектронный датчик напряженности магнитного поля 1980
  • Бусурин Владимир Игоревич
  • Махоткин Вячеслав Евгеньевич
  • Миловзоров Александр Владимирович
  • Черемысина Ольга Ивановна
SU935838A1
Индикатор вида жидкости 1978
  • Удалов Николай Петрович
  • Бусурин Владимир Игоревич
  • Голубев Сергей Сергеевич
SU840711A1
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР 2004
  • Егоров Федор Андреевич
  • Потапов Владимир Тимофеевич
  • Неугодников Алексей Павлович
  • Егоров Сергей Андреевич
  • Поспелов Вадим Игоревич
RU2272259C1
Способ настройки максимальной чувствительности волоконно-оптического гидрофона 2015
  • Егоров Федор Андреевич
  • Амеличев Владимир Викторович
  • Генералов Сергей Сергеевич
  • Никифоров Сергей Валерьевич
  • Шаманаев Сергей Владимирович
RU2610382C1
Устройство для измерения температуры 1984
  • Бусурин Владимир Игоревич
  • Прохоров Николай Иванович
SU1244509A1
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ С ДИНАМИЧЕСКИ НАСТРАИВАЕМЫМ ДИАПАЗОНОМ 2010
  • Бусурин Владимир Игоревич
  • Жеглов Максим Александрович
  • Звей Нэй Зо
  • Коробков Вадим Викторович
RU2456563C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 383 871 C1

Реферат патента 2010 года ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения уровня жидких сред. Сущность: устройство содержит одномодовый широкополосный источник оптического излучения, волоконный световод, поглотитель оптического излучения, спектрометр с выходным цифровым сигналом, устройство обработки цифровых сигналов. Выход одномодового широкополосного источника оптического излучения соединен с волоконным световодом, который выполнен одномодовым в виде концентрически расположенных стержневого волновода и трубчатого волновода. Трубчатый волновод покрыт оболочкой и защитным слоем. Выходной торец волоконного световода соединен с поглотителем оптического излучения, поглощающим оптическое излучение из стержневого волновода и пропускающим световой поток из трубчатого волновода волоконного световода на вход спектрометра. Выход спектрометра соединен с входом устройства обработки цифровых сигналов. Уровень жидкой среды определяется по количеству и расположению спектральных полос оптического изучения в заданном диапазоне длин волн, соответствующих контрольным точкам измерения уровня, на выходе трубчатого волновода волоконного световода. Технический результат, создаваемый изобретением, - повышение чувствительности и точности измерений волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 383 871 C1

Волоконно-оптический измеритель уровня жидких сред, содержащий источник оптического излучения, волоконный световод, анализатор оптического излучения, отличающийся тем, что он снабжен поглотителем оптического излучения, размещенным между выходным торцом волоконного световода и анализатором оптического излучения, устройством обработки цифровых сигналов, при этом анализатор оптического излучения выполнен в виде спектрометра с выходным цифровым сигналом, волоконный световод выполнен в виде цилиндрической двуканальной связанной коаксиальной структуры, содержащей внутренний стержневой одномодовый волновод, разделительный слой и внешний трубчатый одномодовый волновод, выполненный с переменным показателем преломления по длине волоконного световода, и покрытый внешней оболочкой и защитным слоем, причем в защитном слое и оболочке волоконного световода выполнены технологические прорези для обеспечения контакта трубчатого волновода волоконного световода с измеряемой жидкой средой, выходной торец волоконного световода соединен с поглотителем оптического излучения, выполненным с возможностью поглощения оптического излучения из стержневого волновода и пропускания оптического излучения из трубчатого волновода на вход спектрометра, выход которого соединен с входом устройства обработки цифровых сигналов, а источник оптического излучения выполнен в виде одномодового широкополосного источника оптического излучения, выход которого соединен с волоконным световодом с возможностью введения светового потока в стержневой волновод волоконного световода.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2010 года RU2383871C1

БУСУРИН В.И., ГАВРИЛИН Б.Н., ЖЕГЛОВ М.А
Датчик уровня жидких сред с несколькими последовательными изгибами волоконного световода
- Приборы и системы
Управление, контроль, диагностика, 2007, № 8, с.42-44
УРОВНЕМЕР ДЛЯ ЖИДКОСТИ 2000
  • Семикопенко В.П.
  • Синельников Б.М.
RU2183316C1
Индикатор уровня жидкости 1977
  • Моршнев Сергей Константинович
  • Рябов Александр Сергеевич
  • Волохов Валентин Николаевич
  • Жаботинский Марк Ефремович
  • Францессон Андрей Владимирович
  • Ивановский Владимир Сергеевич
SU735926A1
US 4994682 A, 19.02.1991
US 4745293 A, 17.05.1988.

RU 2 383 871 C1

Авторы

Бусурин Владимир Игоревич

Коробков Вадим Владимирович

Науменко Сергей Игоревич

Даты

2010-03-10Публикация

2008-07-15Подача