ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости с коэффициентом преломления n>1,25, прозрачной для инфракрасного излучения (например, уровня топлива в топливных баках), в условиях воздействия вибраций, ударов, изменения температуры окружающей среды в диапазоне минус 100…+150°C (и более) на изделиях авиационной, ракетно-космической, морской техники, нефтегазовой отрасли и в других отраслях техники.

В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающих заявленный технический результат.

Известен волоконно-оптический уровнемер, содержащий последовательно соединенные источник излучения, волоконно-оптическую линию передачи, чувствительный элемент, выполненный в виде световода, и приемник излучения. Чувствительный элемент выполнен в виде прямолинейного волоконно-оптического световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала. Значение показателя преломления уменьшается снизу вверх в соответствии с определенными соотношениями [Патент СССР SU 1280329 А1, кл. G01F 23/22, опубл. 30.12.86].

Недостатком указанного уровнемера является технологическая сложность получения с заданной точностью световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала. При заполнении емкости жидкостью под большим напором, а также при наличии вибраций, ударов возможна поломка световода.

Известен волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, содержащий источник и приемник излучения, подводящее и отводящие оптические волокна, чувствительный элемент, выполненный в виде стержня круглого сечения с шаровым сегментом на рабочем торце из оптически прозрачного материала с определенным коэффициентом преломления [Патент РФ RU 2297602 С1, кл. G01F 23/22, №2297602, опубл. 20.04.07].

Недостатками данного сигнализатора является отсутствие возможности контролировать несколько значений уровня жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический уровнемер, содержащий источники и приемники излучения, к которым подстыкованы подводящие и отводящие оптические волокна соответственно, протянутые через трубу длиной не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости со сквозными отверстиями на боковой поверхности, жестко закрепленные на трубе корпуса, состоящие из неподвижно соединенных между собой трубок, втулок со сквозным отверстием, наконечников с цилиндрическим сквозным отверстием, в которых закреплены стержни круглого сечения с шаровидным сегментом из оптически прозрачного материала, к которым через отверстия в трубе подходят по одному подводящему и одному отводящему волокну, причем отверстия полых трубок совмещены с отверстиями в трубе, количество отверстий, корпусов и стержней соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости [патент РФ №2399887, МПК G01F 23/22 (прототип)].

Недостатками данного уровнемера является следующее:

- при регистрации уровня жидкости, движущейся перпендикулярно к оптической оси уровнемера (например, морская волна), точность регистрации будет невысокой;

- при сборке технологически трудно протянуть через длинную трубу оптические волокна, собранные в жгуты, кроме того, при этом можно в местах стыка трубы и корпусов сломать отдельные волокна, а определить место поломки возможно только после подстыковки оптических волокон к приемникам излучения;

- полировать волокна целесообразно после вклеивания во втулки, в противном случае в процессе сборке полированная поверхность может быть поцарапана;

- если измеряется уровень агрессивной среды (например, кислотный электролит), то возможно нарушение герметичности узла «стержень-наконечник» из-за растворения клеящего состава.

Техническим результатом является улучшение технологичности конструкции уровнемера, упрощение процесса его сборки и повышение его надежности.

Указанный технический результат достигается тем, что:

1) в известном волоконно-оптическом уровнемере, содержащем источники и приемники излучения, к которым подстыкованы подводящие и отводящие оптические волокна соответственно, протянутые через трубу длиной не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости со сквозными отверстиями на боковой поверхности, жестко закрепленные на трубе корпуса, состоящие из неподвижно соединенных между собой трубок, втулок со сквозным отверстием, наконечников со сквозным отверстием, в которых закреплены стержни круглого сечения с шаровидным сегментом из оптически прозрачного материала, для которого выполняется условие:

где n_CP, n_Ж, n₁ - показатели преломления окружающей среды, жидкости и стержней соответственно,

к которым через отверстия в трубе подходят подводящие и отводящие волокна, причем отверстия трубок совмещены с отверстиями в трубе, количество отверстий, корпусов и стержней соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости, новым является то, что продольная ось корпуса прямая, продольные оси трубы и корпусов расположены под углом, меньшим или равным 90 градусов, наконечник выполнен в виде цилиндра и усеченного конуса, причем цилиндр является основанием для усеченного конуса, малое основание которого обращено в сторону шаровидного сегмента стержня.

2) в известном способе изготовления волоконно-оптического уровнемера по п. 1, заключающемся в том, что

1) нарезают оптические волокна в количестве 2n, где n - количество контролируемых точек уровня жидкости, причем длина L_i двух отдельных i-х волокон определяется соотношениями:

а) когда точки контроля уровня жидкости равноудалены:

б) когда точки контроля уровня жидкости распределены по длине емкости неравномерно:

где L - длина участка от источника или приемника излучения до емкости;

Н - высота емкости (или расстояние от верхней границы емкости до последней точки съема информации);

Δ_i - расстояние между ближайшими точками съема информации,

i=1,2, …,n - порядковый номер точки;

новым является то, что

2) равные по длине подводящие и отводящие оптические волокна пропускают (начиная с самых длинных и далее последовательно по мере уменьшения их длины) через полые трубки корпусов;

3) вклеивают оптические волокна с помощью клеящего состава во втулки таким образом, чтобы рабочие торцы оптических волокон были расположены в плоскости поверхности втулок, обращенных к наконечнику;

4) торцы оптических волокон, закрепленных во втулках, полируют;

5) спеканием при высокой температуре жестко закрепляют стержни в наконечниках таким образом, чтобы сферические сегменты располагались с узкой стороны конусов наконечников, а плоскости других торцов стержней совпадали с основаниями цилиндров наконечников;

6) наконечниками прижимают втулки с закрепленными оптическими волокнами к одному торцу полых трубок корпусов и в местах соединений втулки сваривают с наконечниками и трубками;

7) собранные корпуса заполняют герметиком;

8) через отверстия в трубе, начиная с самого нижнего и перемещаясь вверх по трубе, протягивают свободные концы одного подводящего оптического волокна и одного отводящего оптического волокна последовательно, начиная с самых длинных, в сторону источников и приемников излучения;

9) корпуса соединяют с трубой в местах отверстий с помощью сварки;

10) заглушкой закрывают с нижнего конца трубу и закрепляют ее с помощью сварки;

11) трубу заполняют герметиком;

12) свободные торцы подводящих оптических волокон подводят к источникам излучения, а отводящих оптических волокон - к приемникам излучения.

Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.

На фигуре 1 приведена упрощенная конструктивная схема предлагаемого волоконно-оптического уровнемера, на фигуре 2 - графические построения для пояснения процесса изготовления волоконно-оптического уровнемера, на фигуре 3а - схема распространения света в одном оптическом канале предлагаемого волоконно-оптического уровнемера, на фигуре 3б - графические пояснения к определению геометрических параметров уровнемера.

Волоконно-оптический уровнемер содержит источники излучения 1, например полупроводниковые светодиоды, подводящие (ПОВ) 2 и отводящие (ООВ) 3 оптические волокна, оптические стержни 4, корпуса 5, состоящие из трех частей: полых трубок 6, втулок 7 со сквозным внутренним отверстием, наконечников 8 с цилиндрическим сквозным отверстием, трубу 9, заглушку 10, приемники излучения 11, например фотодиоды (фигура 1).

Наконечник 8 выполнен в виде цилиндра и усеченного конуса, причем цилиндр является основанием для усеченного конуса, малое основание которого обращено в сторону шаровидного сегмента стержня 4.

С источниками излучения 1 состыкованы подводящие оптические волокна 2, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Стержни 4 имеют круглое сечение и выполнены с шаровидными сегментами на рабочем торце, обращенными наружу, радиусом R, определяемым условием

где d_ов - диаметр оболочки оптического волокна из оптически прозрачного материала, например из кварцевого стекла, для которого выполняется условие (1). Цилиндрическая часть стержней 4 закрепляется в наконечнике 8 корпуса 5 спеканием при высокой температуре, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 8 корпуса 5 на значение, равное R.

Подводящее оптическое волокно 2 и отводящее оптическое волокно 3 закреплены во втулке 7 корпуса 5 с помощью клея 12, обладающего большой упругостью. Втулки 7 устанавливаются в паз 13 наконечников 8. Части 6, 7, 8 корпуса 5 соединены между собой с помощью сварки 14, при этом центры торцов подводящего оптического волокна 2 и отводящего оптического волокна 3 смещены относительно центра торца стержня 4 на значение, равное (1…1,5)d_ов/2. Внутренняя полость 15 корпуса 5 заполняется герметиком 16 (на фиг. 1 не показан) в целях исключения поломок оптических волокон при воздействии вибрации, ударов и т.п.

Количество корпусов 5 соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Труба 9 изготавливается длиной не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости. Поперечное сечение трубы 9 может быть круглым или прямоугольным. На фиг. 1 для примера приведена круглая труба. В трубе 9 просверлены сквозные отверстия 17. Например, как показано на фиг. 1, отверстия 17 выполнены равномерно по спирали с равномерным шагом, соответствующим расстоянию между точками съема информации. Количество отверстий 17 соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Корпуса 5 крепятся к трубе 9 с помощью сварки 18 так, чтобы отверстия в верхней части корпуса 5 были совмещены с отверстиями в трубе 9. Продольная ось корпуса 5 прямая, продольные оси трубы 9 и корпусов 5 расположены под углом, меньшим или равным 90 градусов.

Герметизация трубы осуществляется с помощью заглушки 10, которая крепится к трубе 9 с помощью сварки 19. Внутренняя полость 20 трубы 9 заполняется герметиком 21 (на фиг. 1 не показан) в целях исключения поломок оптических волокон при воздействии вибрации, ударов и т.п.

Отводящие оптические волокна 3, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости, соединены с приемниками излучения 11.

Оптические волокна 2 и 3 проходят внутри трубы 9 и через отверстия 17 в трубе 9 протянуты к приемному торцу стержня 4.

Способ изготовления волоконно-оптического уровнемера заключается в следующем (фигура 2).

1) Нарезают оптические волокна в количестве 2n, где n - количество контролируемых точек уровня жидкости, причем длина L_i двух отдельных i-х волокон определяется соотношениями (3), когда точки контроля уровня жидкости равноудалены, соотношениями (4), когда точки контроля уровня жидкости распределены по длине емкости неравномерно (см. фиг. 2а);

2) равные по длине одно ПОВ 2 и одно OOB 3 пропускают (начиная с самых длинных и далее последовательно по мере уменьшения их длины) через полые трубки 6 корпусов 5;

3) вклеивают оптические волокна 2 и 3 с помощью клеящего состава 12 во втулки 7 таким образом, чтобы рабочие торцы оптических волокон 2 и 3 были расположены в плоскости поверхности втулок 7, обращенных к наконечнику 8. Наличие клеящего состава 12 на рабочих торцах волокон 2, 3 не допускается;

4) торцы оптических волокон 2 и 3, закрепленных во втулке 7, полируют;

5) спеканием при высокой температуре жестко закрепляют стержни 4 в наконечниках 8 таким образом, чтобы сферические сегменты располагались с узкой стороны конусов наконечников 8, а плоскости других торцов стержней 4 совпадали с основаниями цилиндров наконечников 8;

6) втулки 7 устанавливают в паз 13 наконечников 8;

7) наконечниками 8 прижимают втулки 7 с оптическими волокнами 2 и 3 к одному торцу полых трубок 6 корпусов 5;

8) части 6, 7, 8 корпуса 5 в местах их соединений сваривают между собой сваркой 14;

9) внутренняя полость 15 собранных корпусов 5 заполняется герметиком 16 (на фиг. 1 не показан);

10) с помощью приспособления в виде крючка через отверстия 17 в трубе 9, начиная с самого нижнего и перемещаясь вверх по трубе 9, протягивают свободные концы одного подводящего оптического волокна 2 и одного отводящего оптического волокна 3 последовательно, начиная с самых длинных, в сторону источников излучения 1 и приемников излучения 11;

11) корпуса 5 соединяют с трубой 9 в местах отверстий 17 с помощью сварки 18;

12) заглушкой 10 закрывают с нижнего конца трубу 9 и закрепляют с помощью сварки 19;

13) герметиком 21 (на фиг. 1 не показан) заполняют внутреннюю полость 20 трубы 9;

14) свободные торцы подводящих оптических волокон 2 подводят к источникам излучения 1, а отводящих оптических волокон 3 - к приемникам излучения 11.

Один измерительный канал волоконно-оптического уровнемера работает следующим образом (см. фиг. 3а).

Излучение источника излучения 1 направляется по ПОВ 2 к стержню 4. Поток излучения, излучаемый торцом ПОВ 2, падает на входной торец стержня 4, преломляется и распространяется по нему путем переотражения от цилиндрической поверхности до шарового сегмента (Патент РФ RU 2297602 С1, кл. G01F 23/22, №2297602, опубл. 20.04.07).

При отсутствии контакта шарового сегмента стержня 4 с жидкостью лучи света за счет выполнения условия полного внутреннего отражения отражаются от поверхности стрежня 4 и возвращаются обратно к входному торцу стержня 4, преломляются и выходят из стержня 4, падая на приемный торец OOB 3. По OOB 3 поток излучения распространяется до приемника излучения 11, где происходит его преобразование в электрический сигнал (напряжение).

При контакте шарового сегмента стержня 4 с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения и большая часть излучения выходит из стержня (см. фиг. 3 точка А), оставшаяся меньшая часть по OOB 3 распространяется до приемника излучения 11.

Таким образом, наличию жидкости в зоне измерения соответствует высокий уровень напряжения приемника излучения 11, отсутствию жидкости - низкий уровень напряжения.

Аналогичным образом работают другие измерительные каналы волоконно-оптического уровнемера (см. фиг. 3б).

Повышение или понижение уровня жидкости в емкости 22 ведет к последовательному срабатыванию измерительных каналов. Сигналы с приемников излучения 11 в дальнейшем могут передаваться в систему обработки информации, которая может выдавать сигнал в виде последовательного дискретного повышения или понижения напряжения соответственно при повышении и понижении уровня жидкости, или обрабатывать индивидуально сигналы с каждого измерительного канала.

Технический результат предлагаемого изобретения следующий.

В предлагаемой конструкции волоконно-оптического уровнемера реализовано дискретное измерение уровня жидкости, что позволяет контролировать несколько значений уровня жидкости.

Предлагаемая новая конструкция волоконно-оптического уровнемера позволяет производить контроль уровня жидкости в требуемых точках емкостей, работоспособна в жестких условиях РКТ, обладает абсолютной искро-взрыво-пожаробезопасностью и не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.

Изобретение может быть использовано для дискретного измерения уровня прозрачной для инфракрасного излучения жидкости в нескольких точках на изделиях ракетно-космической техники. Сущность предлагаемого изобретения - в волоконно-оптическом уровнемере, содержащем источники и приемники излучения, к которым подстыкованы подводящие и отводящие оптические волокна соответственно, протянутые через трубу со сквозными отверстиями на боковой поверхности, жестко закрепленные на трубе корпуса, состоящие из соединенных между собой трубок, втулок со сквозным отверстием, наконечников, в которых закреплены стержни круглого сечения с шаровидным сегментом из оптически прозрачного материала, причем отверстия полых трубок совмещены с отверстиями в трубе, количество отверстий, корпусов и стержней соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости, продольные оси корпусов прямые, оси трубы и корпусов расположены под углом меньшим или равным 90 градусов, наконечники выполнены в виде цилиндра и усеченного конуса, причем цилиндр является основанием для усеченного конуса, малое основание которого обращено в сторону шаровидного сегмента стержня. Также предлагаемое изобретение содержит способ изготовления волоконно-оптического уровнемера. Техническим результатом является улучшение технологичности конструкции волоконно-оптического уровнемера, упрощение процесса его сборки и повышение его надежности. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Волоконно-оптический уровнемер, содержащий источники и приемники излучения, к которым подстыкованы подводящие и отводящие оптические волокна соответственно, протянутые через трубу длиной не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости со сквозными отверстиями на боковой поверхности, жестко закрепленные на трубе корпуса, состоящие из неподвижно соединенных между собой трубок, втулок со сквозным отверстием, наконечников со сквозным отверстием, в которых закреплены стержни круглого сечения с шаровидным сегментом из оптически прозрачного материала, для которого выполняется условие:
n_CP<n_Ж<n₁,
где n_CP, n_Ж, n₁ - показатели преломления окружающей среды, жидкости и стержней соответственно, к которым через отверстия в трубе подходят подводящие и отводящие волокна, причем отверстия трубок совмещены с отверстиями в стенке трубы, количество отверстий, корпусов и стержней соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости, отличающийся тем, что продольные оси корпусов прямые, продольные оси трубы и корпусов расположены под углом, меньшим или равным 90 градусов, наконечники выполнены в виде цилиндра и усеченного конуса, причем цилиндр является основанием для усеченного конуса, малое основание которого обращено в сторону шаровидного сегмента стержня.

2. Способ изготовления волоконно-оптического уровнемера по п. 1, заключающийся в том, что
1) нарезают оптические волокна в количестве 2n, где n - количество контролируемых точек уровня жидкости, причем длина L_i двух отдельных i-х волокон определяется соотношениями:
а) когда точки контроля уровня жидкости равноудалены:
L_i≥L+[H-(i-1)Δ_i],
б) когда точки контроля уровня жидкости распределены по длине емкости неравномерно:

где L - длина участка от источника или приемника излучения до емкости;
Н - высота емкости (или расстояние от верхней границы емкости до последней точки съема информации);
Δ_i - расстояние между ближайшими точками съема информации,
i=1,2,…,n - порядковый номер точки;
отличающийся тем, что
2) равные по длине подводящие и отводящие оптические волокна пропускают (начиная с самых длинных и далее последовательно по мере уменьшения их длины) через полые трубки корпусов;
3) вклеивают оптические волокна с помощью клеящего состава во втулки таким образом, чтобы рабочие торцы оптических волокон были расположены в плоскости поверхности втулок, обращенных к наконечнику;
4) торцы оптических волокон, закрепленных во втулках, полируют;
5) спеканием при высокой температуре жестко закрепляют стержни в наконечниках таким образом, чтобы сферические сегменты располагались с узкой стороны конусов, а плоскости других торцов стержней совпадали с основаниями цилиндров наконечников;
6) наконечниками прижимают втулки с оптическими волокнами к одному торцу полых трубок корпусов и в местах их соединений сваривают;
7) собранные корпуса заполняют герметиком;
8) через отверстия в трубе, начиная с самого нижнего и перемещаясь вверх по трубе, протягивают свободные концы одного подводящего оптического волокна и одного отводящего оптического волокна последовательно, начиная с самых длинных, в сторону источников и приемников излучения;
9) корпуса соединяют с трубой с помощью сварки;
10) заглушкой закрывают с нижнего конца трубу и закрепляют с помощью сварки;
11) трубу заполняют герметиком;
12) свободные торцы подводящих оптических волокон подводят к источникам излучения, а отводящих оптических волокон - к приемникам излучения.