СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО С НЕРЕГУЛЯРНОЙ БИСПИРАЛЬНО-КОНИЧЕСКОЙ СВЕТОВОДНОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК G01F23/22 G01F23/292 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, волоконно-оптическим технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости (например, уровня топлива в топливных баках), в т.ч. и криогенных, при температуре до минус 270°С (для жидкого гелия), на объектах автомобильной, железнодорожной, авиационной, ракетно-космической техники и в других отраслях техники. Помимо контроля уровня жидкости представленное техническое решение позволяет измерять температуру контролируемой жидкости. Использование оптического излучения в процессе преобразования измерительной информации позволяет достичь высокой точности измерения, обеспечить выполнение жестких требований искробезопасности для пожаро- и взрывоопасных объектов, существенно снизить себестоимость технического решения (себестоимость 1 измерительного канала) и в итоге конкурентоспособно для объектов и производств, требующих высокого уровня технологичности и автоматизации процесса измерения.

В настоящее время волоконно-оптические преобразователи (ВОП), созданные на основе оптических волокон (световодов), все больше и активнее используются для решения промышленных задач из-за своей малогабаритности, естественной взрыво-, электро- и пожаробезопасности и высокой помехоустойчивости к электрическим сигналам.

Для контроля уровня жидкости все активнее применяются волоконно-оптические уровнемеры (измерители уровня) и сигнализаторы уровня жидкости разнообразных конструкций, основанные на эффекте изменения показателя преломления в момент контакта оптического чувствительного элемента с жидкостью. При этом естественно желание достичь в каждом техническом решении максимально широких функциональных возможностей, например, высокоточное измерение приближения (удаления) поверхности жидкости в диапазоне до (или после) контакта с ней (т.е. вне контакта с ней), сигнализация контакта с поверхностью жидкости и измерения, а также по возможности измерение дополнительного параметра, например, температуры жидкости.

Известен волоконно-оптический датчик жидких сред (А.с. №1613871. Волоконно-оптический датчик жидких сред. Свирид В.А., Хотяинцев С.Н., Яровой Л.К., Алексеев В.П., Вагин А.И., Ватутин В.М., Холдобаев Е.Н. МПК G01F 23/28. Опубл. в БИ №46, 15.12.1990 г.), принцип действия и устройство которого взяты в качестве способа- и устройства-аналогов. Он содержит два световода, торцы которых на одном из концов лежат в одной плоскости и оптически связаны чувствительным элементом, выполненным из прозрачного материала, поверхность которого, ограниченная апертурами световодов, выполнена в виде двух пересекающихся симметрично расположенных относительно оси датчика эллипсоидов вращения, первые фокусы которых совпадают с центрами торцов световодов, а вторые совпадают с точкой, лежащей на оси симметрии датчика, расположенной на определенном расстоянии от торцевой плоскости световодов.

В этом датчике излучение источника вводится в передающий световод и направляется к чувствительному элементу. Пучок лучей, выходящих с торца передающего световода, отражается левой эллиптической поверхностью чувствительного элемента и формирует в области фокуса изображение торца передающего световода. Распространяясь далее, пучок лучей отражается правой поверхностью чувствительного элемента и попадает на торец приемного световода. Форма поверхности чувствительного элемента представляет собой два пересекающихся симметрично расположенных относительно оси датчика эллипсоидов вращения. Поэтому практически все лучи выходного пучка передающего световода попадают на торец приемного световода и поступают на фотоприемник.

Уровень принятого оптического сигнала зависит от условий отражения на передней поверхности чувствительного элемента. При погружении чувствительного элемента в жидкость условия отражения меняются, большая часть излучения выходит в среду, уровень принятого фотоприемником оптического сигнала падает, что и свидетельствует об изменении уровня жидкой среды относительно чувствительного элемента датчика.

К недостаткам этого технического решения можно отнести следующее:

- малая технологичность и сложность изготовления эллипсоидного оптического чувствительного элемента датчика и его точного крепления к световодам;

- ограничения функциональных возможностей из-за отсутствия возможности работы датчика в диапазоне до контакта с жидкостью и сигнализации уровня жидкости с формированием соответствующего «переключательного» выходного сигнала при контакте с ней, а также измерения температуры контролируемой жидкости.

Известно изобретение, взятое в качестве способа- и устройства-аналогов, реализованное в (Патент РФ №2297602 МПК G01F 23/22. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости. Серебряков Д.И., Мурашкина Т.И. Опубл. в Бюл. №11, 20.04.2007). В известном способе сигнализации уровня жидкости формируют оптическое излучение и направляют его по подводящему оптическому волокну к чувствительному элементу, при этом оптическим потоком, излучаемым торцом подводящего оптического волокна, освещают торец чувствительного элемента, цилиндрической поверхностью которого направляют оптические лучи к шаровому сегменту, при этом при отсутствии контакта шарового сегмента с жидкостью создают для оптических лучей условия полного внутреннего отражения и переотражают их в обратном направлении, а при контакте шарового сегмента с жидкостью нарушают условия полного внутреннего отражения и выводят часть оптических лучей за пределы шарового сегмента, направляют возвращенные оптические лучи отводящим оптическим волокном и регистрируют уровень возвращенного оптического потока, а по резкому и значительному изменению уровня возвращенного оптического излучения судят о появлении контакта между шаровым сегментом чувствительного элемента и жидкостью.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном волоконно-оптическом сигнализаторе уровня, содержащем источник и приемник излучения, подводящее и отводящее оптические волокна, чувствительный элемент, причем чувствительный элемент выполнен в виде стержня круглого сечения из оптически прозрачного материала, для которого выполняется условие n₀<n_в.ср<n₁, где n₀, n_в.cр, n₁ - показатели преломления воздуха, жидкости и стержня соответственно длиной, удовлетворяющей выражению

где Θ_NA - апертурный угол оптического волокна, d_c - диаметр сердцевины оптического волокна, К - радиус шарового сегмента световода, обращенного в сторону измеряемых сред: 1,5_ов≤R≤2 d_ов, где d_ов - диаметр оболочки оптического волокна, α - угол отражения от шарового сегмента arcsin n₀/n_в.ср<α<arsin n_в.ср/n₁, а отношение L/R должно отвечать всем выражениям:

3,148≤L/R≤3,24;

3,415≤L/R≤3,6;

3,628≤L/R<3,748;

3,88≤L/R≤4,017.

Для этого технического решения свойственны следующие недостатки:

- малая технологичность и высокая сложность изготовления чувствительного элемента;

- отсутствует возможность измерения температуры контролируемой жидкости;

- высокая погрешность сигнализации контакта с жидкостью, определяемая неплоскостностью чувствительной поверхности устройства из-за использования шарового сегмента;

- ограничение функциональных возможностей из-за невозможности измерения уровня жидкости до и после контакта с ней, а также измерения температуры жидкости.

В качестве наиболее близких аналогов к заявленному способу измерения уровня жидкости и устройству с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой для его реализации, выбранными в качестве прототипов, являются способ и устройство для измерения уровня жидкости, известные из (Патент РФ №2327959 МПК G01F 23/292. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости. Григорьев В.А., Пименов М.Г., Сучкова Е.В. Опубл. в Бюл. №18, 27.06.2008). В этом способе измерения уровня жидкости, заключающемся в том, что с помощью излучателя создают оптический поток, при этом используют передающее и приемное волокна и за счет их механического и оптического соединения создают волоконно-оптический Y-образный ответвитель (в дальнейшем по тексту - Y-образный ответвитель) с общим волокном, имеющим плоский торец, причем вводят созданный оптический поток в передающее волокно и формируют входной оптический поток, направляемый Y-образным ответвителем для освещения торца общего волокна, причем этим торцом образуют выходящий наружу, освещающий поверхность жидкости и отраженный оптические потоки и за счет этого создают из торца общего волокна поверхность, чувствительную к изменениям показателя преломления внешней среды, используют оптический поток, отраженный от торца общего волокна для создания выходного оптического потока, направляемого приемным волокном Y-образным ответвителем на фотоприемник, при этом поверхностью жидкости отражают освещающий оптический поток и направляют на торец общего волокна, вводят в последнее и дополняют выходной оптический поток, причем с помощью фотоприемника преобразуют выходной оптический поток Y-образного ответвителя в электрический сигнал, осуществляют сближение жидкости и общего волокна Y-образного ответвителя и при касании жидкостью торца общего волокна меняют показатель преломления внешней среды, при этом измеряют выходной сигнал и за счет выделения его импульсного перепада фиксируют изменение показателя преломления внешней среды у торца общего волокна Y-образного ответвителя, по которому судят о его контактировании с жидкостью.

Устройство, реализующее этот способ измерения уровня жидкости, содержит источник и приемник оптического излучения, размещенные в измерительной схеме с электрическим выходом, оптически связанные соответственно с источником и приемником излучения передающий и приемный световоды, которые вместе с общим световодом выполнены в виде Y-образного ответвителя, а торец общим световодом связан с окружающей средой.

Существенным достоинством данного технического решения является повышение точности сигнализации уровня жидкости за счет использования плоского выходного торца общего световода Y-образного ответвителя, контактирующего с контролируемой средой. Также достигнута высокая технологичность за счет упрощения конструкции устройств.

Однако недостатком этого технического решения является ограничение точности измерений, определяемое малым соотношением сигнал/шум из-за малой амплитуды полезного сигнала (всего около 4%), возникающего при контактировании с жидкостью, а также ограничение функциональных возможностей:

- из-за отсутствия возможности работы датчика в диапазоне после контакта с жидкостью, т.е. измерения глубины его погружения;

- из-за отсутствия возможности работы датчика для измерения температуры контролируемой жидкости.

Техническими задачами, решаемыми предлагаемыми способом и устройствами, являются повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.

Согласно этому изобретению указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения уровня жидкости, заключающемся в том, что с помощью источника создают оптический поток, при этом используют передающее и приемное волокна и за счет их механического и оптического соединения создают Y-образный ответвитель с общим волокном, имеющим плоский торец, причем вводят созданный оптический поток в передающее волокно и формируют входной оптический поток, направляемый Y-образным ответвителем для освещения торца общего волокна, причем этим торцом образуют оптический поток, выходящий наружу и освещающий поверхность жидкости, а также оптический поток, отраженный от этого торца и используемый для создания выходного оптического потока, направляемого приемным волокном Y-образного ответвителя на приемник, за счет этого создают из торца общего волокна поверхность, чувствительную к изменениям показателя преломления внешней среды, при этом поверхностью жидкости отражают освещающий оптический поток и направляют на торец общего волокна, вводят в последнее и дополняют выходной оптический поток, причем с помощью приемника преобразуют выходной оптический поток Y-образного ответвителя в электрический сигнал, осуществляют сближение жидкости и общего волокна Y-образного ответвителя и при касании жидкостью торца общего волокна меняют показатель преломления внешней среды, при этом на основе электрического сигнала создают выходной сигнал с импульсным перепадом, по которому судят об изменении показателя преломления внешней среды у торца общего волокна Y-образного ответвителя и соответственно о контакте с жидкостью, осуществляют модуляцию излучаемого оптического потока, причем в Y-образном ответвителе производят закрутку передающего и приемного волокон друг вокруг друга перед общим волокном и создают витковую часть, а в витковой части и общем волокне задают закручивающуюся траекторию движения оптического потока, освещающего торец общего волокна и раскручивающуюся траекторию движения оптического потока, отраженного от этого торца, при этом задают условия распространения оптических потоков в витковой части и общем волокне Y-образного ответвителя и создают за счет этого из внешних поверхностей витковой части и общего волокна две дополнительные поверхности, чувствительные к изменениям показателя преломления внешней среды, демодулируют и фильтруют электрический сигнал и создают из него второй выходной сигнал, по амплитуде которого судят соответственно о расстоянии между поверхностью жидкости и торцом Y-образного ответвителя или о глубине погружения в жидкость общего волокна и витковой части Y-образного ответвителя, при этом торцом общего волокна Y-образного ответвителя принимают и направляют по отводящему волокну в составе выходного оптического потока немодулированное оптическое излучение, создаваемое жидкостью, фильтруют электрический сигнал и создают за счет этого третий выходной сигнал, по амплитуде которого судят о температуре жидкости.

Согласно этому изобретению это также достигается тем, что в качестве модуляции используют амплитудно-импульсную модуляцию и задают ее параметры, причем задают геометрические параметры Y-образного ответвителя, при этом для демодулирования используют фазовое или частотное детектирование и задают его параметры, а для фильтрации используют низкочастотную фильтрацию и задают частоту среза.

Кроме того, в соответствии с этим изобретением это также достигается тем, что в качестве параметров импульсной модуляции создаваемого оптического потока используют частоту модуляции и длительность импульсов, а в качестве геометрических параметров Y-образного ответвителя задают форму и длину общего волокна, толщину его оболочки и ее продольное изменение, диаметры общего волокна в широкой части D и у его торца d_ов1, длину витковой части, шаг закрутки, а в качестве параметров процессов низкочастотной фильтрации используют частоту среза фильтра низких частот.

Помимо этого согласно изобретению это также достигается тем, что в качестве формы общего волокна Y-образного ответвителя используют усеченный конус с соотношением D/d_ов1=2, где D - диаметр широкой части общего волокна, d_ов1 - диаметр оболочки у торца общего волокна.

Кроме того, указанная задача обеспечивается тем, что в устройстве с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой, содержащей источник и приемник оптического излучения, размещенные в измерительной схеме с электрическим выходом, оптически связанные соответственно с источником и приемником излучения передающий и приемный световоды, которые вместе с общим световодом выполнены в виде Y-образного ответвителя, а торец общим световодом связан с окружающей средой, в измерительной схеме введены два дополнительных электрических выхода, а в Y-образном ответвителе перед общим световодом сформирована витковая часть, состоящая из продольно скрученных друг вокруг друга передающего и приемного световодов, при этом общий световод Y-образного ответвителя выполнен конически утоньшающимся при приближении к его торцу.

Помимо этого, указанная задача обеспечивается тем, что в устройстве с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой в измерительную схему введены генератор импульсов, детектор, компаратор и два фильтра низких частот, при этом генератор импульсов подключен к источнику оптического излучения и второму входу детектора, причем выход детектора подключен к первому фильтру низких частот, выход которого связан с первым входом компаратора и является вторым электрическим выходом устройства, на второй вход компаратора подается опорное напряжение, а выход компаратора является первым выходом устройства, при этом приемник оптического излучения подключен к первому входу детектора и второму фильтру низких частот, выход которого является третьим электрическим выходом устройства, причем детектор выполнен на основе фазового или частотного детектора.

Также указанная задача обеспечивается тем, что в устройстве с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой, содержащем источник и приемник оптического излучения, размещенные в измерительной схеме с электрическим выходом, оптически связанные соответственно с источником и приемником излучения передающий и приемный световоды, которые вместе с общим световодом выполнены в виде Y-образного ответвителя, а торец общим световодом связан с окружающей средой, в измерительной схеме введены два дополнительных электрических выхода, а в Y-образном ответвителе перед общим световодом сформирована витковая часть, состоящая из продольно скрученных друг вокруг друга передающего и приемного световодов, при этом общий световод и витковая часть Y-образного ответвителя выполнены с нанесенным на их внешние боковые поверхности непрозрачным покрытием.

Кроме того, указанная задача обеспечивается тем, что в устройстве с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой в измерительную схему введены генератор импульсов, детектор, компаратор и два фильтра низких частот, при этом генератор импульсов подключен к источнику оптического излучения и второму входу детектора, причем выход детектора подключен к первому фильтру низких частот, выход которого связан с первым входом компаратора и является вторым электрическим выходом устройства, на второй вход компаратора подается опорное напряжение, а выход компаратора является первым выходом устройства, при этом приемник оптического излучения подключен к первому входу детектора и второму фильтру низких частот, выход которого является третьим электрическим выходом устройства, причем детектор выполнен на основе фазового или частотного детектора.

Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было известно и достигается только в данных способе и устройствах.

Работа способа и устройств поясняется рисунками.

На фиг. 1 представлена схема ВОП с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой (в дальнейшем по тексту - датчик), выполняющий функции измерителя уровня жидкости и температуры (в дальнейшем по тексту - устройство №1).

На фиг. 2 представлена конструкция ВОП с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой с функциями сигнализации уровня жидкости и измерения температуры (в дальнейшем по тексту - устройство №2).

На фиг. 3 изображены: датчик (фиг. 3а), диаграммы с распределениями интенсивности I оптических потоков по сечениям датчика и его световодов по оси х с центрами х₁, х₂, х₃ соответственно для приемного 5, передающего 4 и общего 7 волокон (фиг. 3б-и),

Фиг. 4 поясняет особенности формирования сигналов U₁(1) и U₂(1) для устройства №1 (фиг. 4а, б, г) и устройства №2 (фиг. 4г) (емкость 1 с жидкостью 2 условно изображены горизонтальными).

На фиг. 5 изображен общий вид опытного экземпляра датчика устройства №1, изготовленного с помощью экспериментальной установки.

Фиг. 6 представляет внешний вид разработанного и собранного устройства №1 с гибким оптическим зондом на основе полимерной или металлической трубки с автономным питанием. Датчик расположен на конце трубки в защитном кожухе.

На фиг. 7 показан общий вид экспериментального устройства на основе двух сигнализаторов (датчиков) уровня (на основе устройства №2), фиксирующих два уровня жидкости.

В предлагаемом способе используются только многомодовые и/или маломодовые волокна (световоды) и он может быть реализован на основе двух групп устройств. Первая группа устройств предназначена для измерения температуры и уровня жидкости в трех диапазонах: до контакта с датчиком l<l₁, в момент контакта с жидкостью l=l₁ и после погружения в жидкость l>l₁, где l₁ - координата, соответствующая положению торца 9 ВОП, формирующего пространственно-чувствительную координату 11, соответствующую «точке переключения», и может быть представлена устройством №1.

Вторая группа устройств, предназначенная для измерения температуры и уровня жидкости до контакта с датчиком l<l₁ и в момент контакта с ней l=l_1, может быть представлена сигнализирующим устройством №2 без измерения глубины погружения в жидкость.

Устройство №1 (фиг. 1), являющееся представителем первой группы устройств, реализующее предлагаемый способ, используется для измерения температуры и уровня жидкости 2, налитой в емкости 1, включает в себя волоконно-оптический датчик 3 (в дальнейшем - датчик 3) в виде Y-образного ответвителя, состоящего из передающего 4 и приемного 5 волокон, витковой части 6 и общего волокна (световода) 7, измерительная схема 8, состоящая из источника (излучателя) 9, приемника 10, генератора 11, детектора (фазового или частотного) 12, первого и второго фильтров низких частот (ФНЧ) 13 и 15, компаратора 14. В этом устройстве общее волокно 7 имеет форму усеченного конуса при уменьшении диаметра d_ов оболочки 17 до значения d_ов1 у торца 18.

Устройство №2 (фиг. 1), являющееся представителем второй группы устройств, реализующих предлагаемый способ, практически аналогично конструкции устройства №1 и отличается лишь тем, что на внешние боковые поверхности общего волокна 7 и витковой части 6 датчика 3 нанесено непрозрачное покрытие 19.

В устройстве №1 используется датчик 3 на основе оригинального Y-образного ответвителя с механическим и оптическим соединением передающего 4 и приемного 5 волокон, скрученных друг вокруг друга по длине L_витк витковой части 6 с шагом витков Λ_витк и общим световодом 7 длиной L_общ конической формы за счет уменьшения диаметра d_ов оболочки 17 по мере приближения к торцу 18. За счет изгибов от закрутки световодов в витковой части 6 задается спиральная траектория движения распространяющихся световых лучей (мод). Это приводит к изменению условий распространения света внутри световодов и, в итоге, появлению трех поверхностей, чувствительных к изменению показателя преломления внешней среды: на торце волокна 18 и внешних боковых поверхностях общего волокна 7 длиной L_общ и витковой 6 части длиной L_витк датчика 3.

Для повышения чувствительности к изменению показателя преломления внешней среды только лишь на торцевой части световода и исключения такой чувствительности на внешних боковых поверхностях датчика 3 на последние наносится непрозрачное покрытие 19. Такая конструкция датчика 3 реализует его усеченные функциональные возможности и используется только лишь в качестве сигнализатора уровня жидкости в устройстве №2.

И в устройстве №1, и в устройстве №2 используются одинаковые измерительные схемы 8, в которых выход генератора 11 подключен к первому входу детектора 12 и источнику 9. Источник 9 оптически связан с передающим волокном 4, а приемное волокно 5 оптически соединено с приемником 10. Выход приемника 10 подключен ко второму входу детектора 12 и входу второго ФНЧ 15. Выход последнего является третьим выходом измерительной схемы 8, создающим электрический сигнал U₃(t_ж), с помощью которого измеряется температура жидкости t_ж.

Выход детектора 12 подключен к первому ФНЧ 13, выход которого соединен к первому входу компаратора 14 и является вторым выходом измерительной схемы 8 с сигналом U₂(l). На второй вход компаратора 14 подается опорный сигнал U_оп, а его выход формирует цифровой логический сигнал U₁(1).

Предлагаемый способ осуществляют в работе устройством №1 следующим образом.

В процессе измерения температуры t_ж контролируемой жидкости 2 постоянное оптическое излучение инфракрасного диапазона, формируемое жидкостью 2, проходит через торец 18 датчика 3 и составляет выходной оптический поток 21 по передающему волокну 5 к приемнику 10. Последний преобразует этот поток в электрический сигнал, поступающий на первый вход детектора 12 и вход второго ФНЧ 15. Последним выделяется низкочастотная составляющая в виде сигнала U₃(t_ж), пропорционального температуре t_ж жидкости 2, и подается на третий выход измерительной схемы 8.

В процессе измерения уровня жидкости 2 в емкости 1 при неизменном ее уровне сигналы в устройстве формируются следующим образом. Генератор 11 формирует импульсный сигнал с частотой f₀, следующий на первый вход детектора 12 и на источник 9, формирующий амплитудно-импульсный модулированный оптический поток 20 короткими импульсами со скважностью Q>>1, где Q=t_ц/t_имп, а t_ц - длительность цикла импульсов, t_имп - длительность импульса. Этот поток вводится в передающее волокно 4 и следует к другому его торцу.

В течение действия оптического импульса t_имп световые лучи движутся по ровному участку передающего световода 4 на условиях полного внутреннего отражения на границе сердцевина-оболочка равномерно распределенными по сечению. На фиг. 3б, в, е, ж показано распределение интенсивности оптического потока I по оси х с центрами x₁ и х₂ для приемного 5 и передающего 4 волокон. По мере прохождения витковой части 6 траектория движения всех лучей начинает меняться, смещаться от центра сердцевины (фиг. 3в, ж) и все более приобретает траекторию, подобную спирали. При этом нарушаются изначальные условия распространения света по световоду и часть мод (~20%) выходит наружу, а другая часть (~80%) отражается обратно от границы оболочка-воздух и следует далее.

Двигаясь далее по заданной ранее спиральной траектории, эти лучи достигают внутренней грани торца 18 общего световода 7, граничащего с воздухом. На фиг. 3г, з, д, и показано распределение интенсивности оптического потока I по оси х с центром хз для общего световода 7. При этом часть потока (~20%) выходит наружу, в окружающее пространство, освещая пространство перед датчиком 3, а другая часть (~80%), отражаясь от этой грани, начинает движение в обратном направлении - вначале по общему волокну 7, а затем после деления потока в Y-образном ответвителе и по витковой части 6 приемного волокна 5. Проходя этот путь, часть оптических лучей выходит наружу, а другая часть, (в соотношениях, подобных движению света по передающему световоду 4), отражаясь на границе, оболочка-воздух и в составе выходного оптического потока 21 следует по приемному волокну 5 и освещает приемник 10. Последним этот поток преобразуется в электрический сигнал, следующий на второй вход детектора 12 и на вход второго ФНЧ 15.

Детектор 12 осуществляет демодуляцию входных сигналов (сигналов с выхода приемника 10 и с выхода генератора 11) и выделяет сигнал на разностной частоте. Этот сигнал проходит через первый ФНЧ 13, выделяющий только низкочастотную составляющую сигнала и в виде сигнала U₂(l) следует на первый вход компаратора 14 и на второй выход измерительной схемы 8. На второй вход компаратора 16 подается опорный сигнал U_оп, задающий порог его срабатывания для формирования сигнала U₁(l).

В процессе наполнения емкости 1 уровень жидкости 2 поднимается и приближается к торцу 18 датчика 3 (режим работы устройства при изменении уровня жидкости). При приближении поверхности жидкости в диапазоне 1<l₁ датчик работает как волоконно-оптический датчик приближения (положения, перемещения, контакта), у которого поверхность жидкости выступает в роли отражающей поверхности перемещаемого объекта, аналоги которого уже хорошо изучены (Телешевский В.И., Коренев М.С., Леун Е.В. Волоконно-оптический датчик контакта// Микроэлектронные датчики в машиностроении: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. конф. - Ульяновск, 1990. - С.90, Телешевский В.И., Коренев М.С., Леун Е.В. Бесконтактный волоконно-оптический щуп для контроля геометрических параметров изделий, (в соавторстве) // Проблемы интеграции образования и науки. Тезисы докладов научно-методической конференции. - М.: Мосстанкин. 1990).

Оптическое излучение, вышедшее через торец 18, освещает поверхность жидкости 2. Отраженное излучение следует в обратном направлении и освещает торец 18 датчика 3, проходит через общее волокно 7, витковую часть 6 и определенная доля его в составе выходного оптического потока 21 следует через приемное волокно 5 на приемник 10. Таким образом, изменения уровня жидкости 2, соответствующие перемещению отражающей поверхности относительно торца 18, приводят к изменениям отраженного излучения и в итоге к изменениям сигнала U₂(l), в диапазоне от U₅ до U₄.

По достижении уровня жидкости 2 координаты l₁ (l=l₁) датчик 3 начинает контактировать с торцом 18 и в результате у последнего резко и значительно меняется показатель преломления внешней среды. Это приводит к существенному нарушению условий отражения для внутренней поверхности торца 18, значительная часть излучения выходит наружу и, как следствие, сигнал U₂(l) на координате l₁ резко падает с уровня U₄ до уровня U₆ и становится меньше, чем U_оп (фиг. 4б). Это приводит к появлению логического перехода «0»→«1» на выходе компаратора 14 (фиг. 4в), что сигнализирует о касании датчика 3 с жидкостью 2.

Последующий подъем уровня жидкости 2 в диапазоне 1>1] приводит к ее контактированию не только с торцом, но и с поверхностью боковых сторон датчика 3. Изменение показателя преломления внешних боковых сторон датчика 3 (в пределах длин общего волокна L_общ и витковой части L_витк) приводит к выходу части оптических лучей в жидкость пропорционально глубине его погружения. Эти изменения оптического сигнала также приводят к изменениям сигнала U₂(l), позволяют измерить глубину погружения датчика 3 и работать в режиме датчика погружения.

Как видно, функция измерительного преобразования устройства №1 может состоять из 3-х участков диапазона измерения уровня и одной пространственно-чувствительной координаты l₁ (фиг. 4б):

- первый участок [0; l₁] соответствует изменениям сигнала U₂(l) в диапазоне [U₅; U₄] при измерении расстояния до поверхности жидкости 2;

- пространственно-чувствительная координата l_1, на которой при l=l₁ осуществляется сигнализация контакта, соответствующая резкому скачкообразному изменению сигнала U₂(l) в диапазоне $$\left|U_4;U_6\right|$$ , которое можно представить «функцией переключения» и для сигнала U₁(l) сравнить с функцией Хэвисайда l(l-l₁);

- второй участок [l₁,; l₂], протяженность $$\left|l_1;l_2\right|$$ которого соответствует длине общего световода 7 L_общ и изменениям сигнала U₂(l) в диапазоне $$\left|U_6;U_7\right|$$ ;

- третий участок [l₂; l₃], длина $$\left|l_2;l_3\right|$$ которого равна длине витковой части L_витк датчика 3 и изменениям сигнала U₂(l) в диапазоне $$\left|U_7;U_8\right|$$ .

Предлагаемый способ также осуществляют в работе устройством №2 следующим образом.

Особенность работы устройства №2 (фиг. 2) предопределена использованием датчика с нанесенным непрозрачным покрытием 19 на внешнюю поверхность общего волокна 7 L_общ и витковой части 6 L_общ. Оно ограничивает выход наружу оптических лучей через боковые стороны датчика 3 и делает его полностью нечувствительным к погружению. Поэтому устройство №2 в функции измерительного преобразования имеет только один участок и одну пространственно-чувствительную координату 1 (фиг. 4в):

- участок [0; l₁] соответствует изменениям сигнала U₂(l) в диапазоне $$\left|U_{10};U_9\right|$$ при измерении расстояния до поверхности жидкости;

- пространственно-чувствительная координата l₁, на которой при l=l₁ осуществляется сигнализация контакта, соответствующая резкому скачкообразному изменению сигнала U₂(1) в диапазоне $$\left|U_9;U_{11}\right|$$ , которое можно представить «функцией переключения» и для сигнала сравнить с функцией Хэвисайда l(l-l₁);

На участке l>l₁ выходной сигнал будет неизменным U₂(l)=U₁₁=const.

Сущность способа заключается в следующем

1. В данном изобретении предлагается использовать оригинальный волоконно-оптический датчик на основе Y-образного ответвителя с механическим и оптическим соединением подводящего 4 и отводящего 5 световодов, скрученных друг вокруг друга по длине L_витк витковой части 6 с шагом витков Λ_витк и общим световодом 7 длиной L_общ конической формы за счет утончающейся оболочки 17 волокна до значения d_ов1 возле торца 18. В основе этого технического решения лежит известная зависимость распространения оптических лучей по световодам от их механических изгибов (Световодные датчики /Б.А.Красюк, О.Г.Семенов, А.Г.Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 256 с., Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников. Под ред. Э.Удда, Москва, Техносфера, 2008. - 520 с.).

За счет подбора нужных соотношений параметров датчика 3 (оптических параметров световодов, отношения диаметра широкой части Б общего волокна 7 к диаметру d_ов1 его узкой части возле торца 18 - D/d_ов1 (фиг. 3а), кол-ва витков и шага закрутки Λ_витк волокон в витковой части 6, толщины оболочки 17 и ее продольного изменения и др.) добиваются образования трех поверхностей, чувствительных к изменению показателя преломления внешней среды: на плоском торце 18, на боковых поверхностях общего волокна 7 (в пределах L_общ) и витковой части 6 (в пределах L_витк).

Таким образом, предлагаемым устройством №1 можно измерять уровень жидкости на 3-х участках диапазона измерений с сигнализацией контакта в момент касания при l=l₁ с высокой точностью за счет плоского торца 18.

В зависимости от параметров устройства №1: мощности излучателя 9, чувствительности приемника 10 и др. на практике максимальные значения $$\left|0;l_1\right|$$ ~15-25 мм реально достижимы. Длина третьего диапазона $$\left|l_1;l_2\right|$$ при нужном подборе параметров датчика 3 может достигать 10000 мм и более.

Показатель преломления большинства жидких сред (бытовые жидкости, криогенные жидкости, углеводороды, химические реактивы), как правило, колеблется от 1 до 2, превосходя значение 2 только в редких случаях. Поэтому несложно подобрать параметры датчика 3 для работы с максимальным числом жидкостей и достичь максимальной универсальности устройства.

2. Особенность датчика 3, используемого в устройстве №2, заключается в нанесении непрозрачного покрытия 19, например, на основе Аl толщиной 15-50 мкм на внешние боковые поверхности датчика 3: общего световода 7 длиной L_общ и витковой части 6 длиной L_витк. Таким образом, эти поверхности полностью закрываются для выхода оптических лучей наружу, а это значит, что данный датчик сможет измерять уровень жидкости только до касания (для l<l₁) и сигнализировать об этом контакте (при l=l₁) и будет специализированным. Экспериментально было показано, что опытный экземпляр датчика обеспечивает глубину модуляции не менее 10 дБ в диапазоне сред с показателем преломления от 1,21 до 1,501, при этом максимальная чувствительность соответствовала значению D/d_ов1=2 (фиг. 3а), где d_ов1 - диаметр оболочки возле торца 18.

2. Использование модуляции и последующей демодуляции за счет фазового (или частотного) детектирования, гетеродинирования сигналов в измерительной схеме позволяет перейти на работу в импульсном режиме с высокой скважностью Q>>1. Это позволяет реализовать частотное разнесение измерительных сигналов уровня U₂(l) и температуры U₃(t_ж) жидкости, а также существенно повысить амплитуду излучаемого и принимаемого оптических сигналов, соотношение сигнал/шум и соответственно повысить точность измерений. Подбором частоты среза первого 13 и второго 15 ФНЧ добиваются успешного отделения полезных сигналов U₂(l) и U₃(t_ж) от шумов, различных перекрестных помех, наводок и др.

3. В предлагаемом изобретении также предлагается использовать световодный датчик для измерения температуры жидкости за счет приема и передачи ее немодулированного инфракрасного (ИК) излучения в диапазоне λ≈1-15 мкм согласно давно известным техническим решениям, принятым в пирометрии. Измерения уровня жидкости и ее температуры могут быть успешно проведены за счет частотного разнесения электрических сигналов.

Реализуемость предлагаемого изобретения подтверждается его экспериментальным изготовлением и исследованием. К настоящему времени уже достаточно успешно отработана технология изготовления датчиков обоих типов: для измерения и сигнализации уровня. Температура нагрева и сплавления обычно составляла для полимерных световодов от 70 до 90°С, для кварцевых от 1100 до 1200°С при силе натяга от 50 до 500 г. Экспериментально апробировались датчики разных конструкций с числом витков от 1 до 100 при толщине оболочки от 25 до 400 мкм с шагом скрутки от 0,1 до 20 мм.

Для них использовались кварц-полимерное волокно КП-200 с диаметром сердцевины 200±0,2 мкм с показателем преломления сердцевины 1,4747, излучатель АЛ 107, фотодиод ФД27К. Теоретическое исследование основных функциональных возможностей предлагаемого изобретения сделано в (Коренев М.С. Математическая модель волоконно-оптических контактных преобразователей уровня. Сборник научных трудов. Теоретические и экспериментальные исследования в области создания измерительных преобразователей уровня. 1984, с. 10-23).

Также экспериментально собраны и проверены в работе опытные экземпляры и в т.ч. двух вариантов сигнализаторов уровня: фиксация одного уровня малогабаритным переносным устройством (фиг. 6), фиксация двух уровней жидкости (фиг. 7).

Были получены следующие технические характеристики: разрешающая способность - не хуже 0,1 мм, дистанционность передачи оптического сигнала - до 300 м, диаметр датчика не более 0,4-0,6 мм, масса датчика не более 1 г.

В депо Москва-Сортировочная на маневровом тепловозе ЧМЭ2-067 были проведены эксплуатационные испытания устройства в виде сигнализатора уровня и подтверждена точность срабатывания в пределах 0,1-1 мм для таких сред, как вода, дизельное топливо, дизельное масло. Рекомендовано применение таких приборов в качестве сигнализаторов предельных значений уровня жидких сред.

Уровень достижений в волоконной оптике и, в частности, технологии соединения волокон и различных элементов на основе этого, в т.ч. разветвителей (ответвителей) и других подобных элементов, очень высок благодаря, в основном, бурному развитию и использованию волоконно-оптических линий связи, систем обработки информации и датчиковой аппаратуры. Все это создает предпосылки для быстрого и существенного дальнейшего улучшения параметров датчика.

Использование в высокоточных оптических измерительных системах методов модуляции оптического излучения (переноса, смещения спектра частот излучения в область частот модуляции f₀) и их последующего обратного переноса в область низких частот, например, за счет детектирования, гетеродинирования хорошо изучено теоретически и отработано на практике в области радиолокационных систем, в частности, систем фазовой автоподстройки частоты (Шагильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. М.: Радио и связь, 1972. 446 с., Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь, 1991. 224 с.). Поэтому реализация таких принципов в измерительной схеме предлагаемого изобретения не вызовет особых технических сложностей.

Бесконтактное измерение температуры объектов за счет измерения уровня оптического излучения, в первую очередь, инфракрасного диапазона, является основой пирометрии, также хорошо изучено в теории и на практике. В настоящее время уже промышленно выпускаются волоконно-оптические пирометры, в частности пирометры серии 500 (IN 510, IN 510-N, IN 520, UN 520-14, IN 530, IN 530-И), поставляемые на российский рынок фирмой ООО «Диагност», позволяют измерять температуру в диапазоне от -40 до 700°С с точностью не более 5% (http://www.diagnost.ru/part_6_2.html#3). Поэтому возможность измерения температуры измеряемой жидкости в предлагаемом изобретении не вызывает сомнений.

В связи с вышеизложенным, практическая реализуемость различных вариантов предлагаемого изобретения также не должна вызывать сомнений.

На основе предлагаемого изобретения планируется государственная сертификация на утверждение типа средств измерений, получение сертификата Ростехнадзора (разрешение РТН) на соответствие требованиям промышленной безопасности для применения на опасных производственных объектах, разработка технологии изготовления и промышленный серийный выпуск измерительных приборов.

В связи с уникальными свойствами предлагаемое изобретение планируется к внедрению, в первую очередь, в отраслях нефте-, газодобычи и переработки, автомобильной, ракетно-космической отраслях, машино-, станко-и приборостроения.

Как видно из всего описания, предложенное изобретение обладает существенно более широкими функциональными возможностями и соответственно успешно решает поставленную техническую задачу.

Изобретения относятся к волоконно-оптической технике и могут быть использованы для измерения уровня жидкости, в том числе и криогенной. Техническим результатом предлагаемого способа и устройств является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей. Согласно одному из заявленных изобретений, это достигается тем, что устройство с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой содержит источник и приемник оптического излучения, размещенные в измерительной схеме с электрическим выходом, оптически связанные соответственно с источником и приемником излучения передающий и приемный световоды, которые вместе с общим световодом выполнены в виде Y-образного ответвителя, а торец общим световодом связан с окружающей средой, при этом в измерительной схеме введены два дополнительных электрических выхода, а в Y-образном ответвителе перед общим световодом сформирована витковая часть, состоящая из продольно скрученных друг вокруг друга передающего и приемного световодов, при этом общий световод Y-образного ответвителя выполнен конически утоньшающимся при приближении к его торцу. Согласно второму изобретению, это достигается тем, что в устройстве общий световод и витковая часть Y-образного ответвителя выполнены с нанесенным на их внешние боковые поверхности непрозрачным покрытием. Также в заявленном изобретении раскрыт способ измерения уровня жидкости с последующим измерением температуры контролируемой жидкости. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ измерения уровня жидкости, заключающийся в том, что с помощью источника создают оптический поток, при этом используют передающее и приемное волокна и за счет их механического и оптического соединения создают Y-образный ответвитель с общим волокном, имеющим плоский торец, причем вводят созданный оптический поток в передающее волокно и формируют входной оптический поток, направляемый Y-образным ответвителем для освещения торца общего волокна, причем этим торцом образуют оптический поток, выходящий наружу и освещающий поверхность жидкости, а также оптический поток, отраженный от этого торца и используемый для создания выходного оптического потока, направляемого приемным волокном Y-образного ответвителя на приемник, за счет этого создают из торца общего волокна поверхность, чувствительную к изменениям показателя преломления внешней среды, при этом поверхностью жидкости отражают освещающий оптический поток и направляют на торец общего волокна, вводят в последнее и дополняют выходной оптический поток, причем с помощью приемника преобразуют выходной оптический поток Y-образного ответвителя в электрический сигнал, осуществляют сближение жидкости и общего волокна Y-образного ответвителя и при касании жидкостью торца общего волокна меняют показатель преломления внешней среды, при этом на основе электрического сигнала создают выходной сигнал с импульсным перепадом, по которому судят об изменении показателя преломления внешней среды у торца общего волокна Y-образного ответвителя и соответственно о контакте с жидкостью, отличающийся тем, что осуществляют модуляцию излучаемого оптического потока, причем в Y-образном ответвителе производят закрутку передающего и приемного волокон друг вокруг друга перед общим волокном и создают витковую часть, а в витковой части и общем волокне задают закручивающуюся траекторию движения оптического потока, освещающего торец общего волокна и раскручивающуюся траекторию движения оптического потока, отраженного от этого торца, при этом задают условия распространения оптических потоков в витковой части и общем волокне Y-образного ответвителя и создают за счет этого из внешних поверхностей витковой части и общего волокна две дополнительные поверхности, чувствительные к изменениям показателя преломления внешней среды, демодулируют и фильтруют электрический сигнал и создают из него второй выходной сигнал, по амплитуде которого судят соответственно о расстоянии между поверхностью жидкости и торцом Y-образного ответвителя или о глубине погружения в жидкость общего волокна и витковой части Y-образного ответвителя, при этом торцом общего волокна Y-образного ответвителя принимают и направляют по отводящему волокну в составе выходного оптического потока немодулированное оптическое излучение, создаваемое жидкостью, фильтруют электрический сигнал и создают за счет этого третий выходной сигнал, по амплитуде которого судят о температуре жидкости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве модуляции используют амплитудно-импульсную модуляцию и задают ее параметры, причем задают геометрические параметры Y-образного ответвителя, при этом для демодулирования используют фазовое или частотное детектирование и задают его параметры, а для фильтрации используют низкочастотную фильтрацию и задают частоту среза.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве параметров импульсной модуляции создаваемого оптического потока используют частоту модуляции и длительность импульсов, а в качестве геометрических параметров Y-образного ответвителя задают форму и длину общего волокна, толщину его оболочки и ее продольное изменение, диаметры общего волокна в широкой части D и у его торца d_ов1, длину витковой части, шаг закрутки, а в качестве параметров процессов низкочастотной фильтрации используют частоту среза фильтра низких частот.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве формы общего волокна Y-образного ответвителя используют усеченный конус с соотношением D/d_ов1=2, где D - диаметр широкой части общего волокна, d_ов1 - диаметр оболочки у торца общего волокна.

5. Устройство с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой, содержащее источник и приемник оптического излучения, размещенные в измерительной схеме с электрическим выходом, оптически связанные соответственно с источником и приемником излучения передающий и приемный световоды, которые вместе с общим световодом выполнены в виде Y-образного ответвителя, а торец общим световодом связан с окружающей средой, отличающееся тем, что в измерительной схеме введены два дополнительных электрических выхода, а в Y-образном ответвителе перед общим световодом сформирована витковая часть, состоящая из продольно скрученных друг вокруг друга передающего и приемного световодов, при этом общий световод Y-образного ответвителя выполнен конически утоньшающимся при приближении к его торцу.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в измерительную схему введены генератор импульсов, детектор, компаратор и два фильтра низких частот, при этом генератор импульсов подключен к источнику оптического излучения и второму входу детектора, причем выход детектора подключен к первому фильтру низких частот, выход которого связан с первым входом компаратора и является вторым электрическим выходом устройства, на второй вход компаратора подается опорное напряжение, а выход компаратора является первым выходом устройства, при этом приемник оптического излучения подключен к первому входу детектора и второму фильтру низких частот, выход которого является третьим электрическим выходом устройства, причем детектор выполнен на основе фазового или частотного детектора.

7. Устройство с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой, содержащее источник и приемник оптического излучения, размещенные в измерительной схеме с электрическим выходом, оптически связанные соответственно с источником и приемником излучения передающий и приемный световоды, которые вместе с общим световодом выполнены в виде Y-образного ответвителя, а торец общим световодом связан с окружающей средой, отличающееся тем, что в измерительной схеме введены два дополнительных электрических выхода, а в Y-образном ответвителе перед общим световодом сформирована витковая часть, состоящая из продольно скрученных друг вокруг друга передающего и приемного световодов, при этом общий световод и витковая часть Y-образного ответвителя выполнены с нанесенным на их внешние боковые поверхности непрозрачным покрытием.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что в измерительную схему введены генератор импульсов, детектор, компаратор и два фильтра низких частот, при этом генератор импульсов подключен к источнику оптического излучения и второму входу детектора, причем выход детектора подключен к первому фильтру низких частот, выход которого связан с первым входом компаратора и является вторым электрическим выходом устройства, на второй вход компаратора подается опорное напряжение, а выход компаратора является первым выходом устройства, при этом приемник оптического излучения подключен к первому входу детектора и второму фильтру низких частот, выход которого является третьим электрическим выходом устройства, причем детектор выполнен на основе фазового или частотного детектора.