ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ И ВИДА ЖИДКОСТИ Российский патент 2021 года по МПК G01F23/292 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления.

Известны способы контроля датчиками уровня жидкости с использованием электрических схем. Примером может служить датчик уровня жидкости для бака транспортного средства (патент РФ №2284481).

Однако применение такого способа является пожароопасным вследствие наличия электрических цепей, по сути, в баке транспортного средства, и не всегда надежным, т.к. в сигнальных проводах могут возникать наводки - как от собственных силовых сетей, так и от стороннего электромагнитного излучения.

Известны волоконно-оптические датчики уровня жидкости, лишенные этих недостатков. Примером может служить волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости (патент РФ № 2297602), в котором используется эффект отражения на границе раздела сред - стекла и воздуха. Часть оптического сигнала от излучателя, подводимого в измеряемую емкость оптическим волокном, отражается на границе раздела и возвращается по оптическим волокнам к фотоприемнику. При подъеме уровня жидкости до сенсорной части датчика границей раздела сред становятся стекло и жидкость, коэффициенты преломления которых близки. Уровень возвратного сигнала резко падает, и перепад фиксируется. Такой датчик позволяет определять не только уровень жидкости, но и ее тип: например, вода и керосин имеют разные показатели преломления и соответственно, разные коэффициенты френелевского отражения на границе сред. Конструкция чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости обладает высокой искровзрывобезопасностью.

Однако датчики такого типа обладают определенными эксплуатационными недостатками. Разность мощности френелевского отражения невелика, поскольку невелик и сам сигнал - 4% от вводимой мощности излучения для границы кварц-воздух. Для стационарных датчиков, работающих в нормальных условиях, это приемлемо, а датчики подвижных объектов, в частности летательных аппаратов, должны работать в условиях резких перепадов температур (-60…+85°С), вибрации и т.д. При этом дрейф сигнала на сигнальных волокнах может превышать разность сигналов от френелевского отражения на границе двух сред, что неприемлемо.

Известны также волоконно-оптические датчики уровня жидкости с приемным и передающим световодами, например а.с. SU 1275220. В этом случае излучение выходит из одного световода и принимается другим. Поскольку апертурный угол выходящего из световода излучения различен для воздуха и жидкости, различна и мощность принимаемого сигнала. Меняется апертурный угол и при смене жидкостей с различными показателями преломления, поэтому такую схему тоже можно использовать для определения типа жидкости. Однако и эта схема имеет тот же недостаток: т.к. разность показателя преломления жидкостей невелика, невелик и перепад мощности сигнала, в ряде случаев сопоставимый с погрешностью измерений.

Цель изобретения - создание помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости. Это достигается тем, что датчик содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения, передающий волоконный световод, чувствительный элемент, приемный волоконный световод и фотоприемник, подключенный к блоку обработки сигнала. Чувствительный элемент выполнен в виде установленных соосно в оправе с зазором двух отрезков волоконных световодов, одни торцы которых в зазоре оптически согласованы между собой, а другие оптически согласованы соответственно с передающим и приемным волоконными световодами. При этом чувствительный элемент также содержит внеосевые приемные световоды и фотоприемники, а расстояние между соосным и последующими внеосевыми приемными волоконными световодами является функцией рабочей длины волны излучения, апертурных углов световодов в измеряемых средах и расстояния между передающим и приемными световодами. Передающий торец световода выполнен в виде отражающих граней призмы Порро с ребром при вершине большего угла, проходящим через центр световедущей жилы и перпендикулярным плоскости, в которой расположены оптические оси световодов. Внеосевые приемные световоды могут быть расположены к оптической оси передающего световода под углом, не превышающим апертурный угол световода для соответствующей его положению среды.

Заявленные признаки являются существенными:

Когда чувствительный элемент датчика находится, например, в керосине, показатели преломления керосина и кварца практически совпадают, апертурный угол минимален и захватывает осевой приемный волоконный световод, который выдает сигнал на свой фотоприемник. В воздухе значительная часть сигнала не отражается, в отличие от классических схем геометрической оптики, от рабочих граней призмы обратно в световод, а распадается на гранях на два внеосевых луча и фиксируется на внеосевых световодах и фотоприемниках. Таким образом, датчик, бывший аналоговым для уровня жидкости и аналоговым для ее состава, становится по сути цифровым, дискретным, для уровня жидкости.

На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов конструкции:

Датчик состоит из передающего волоконного световода 1, приемных волоконных световодов 2, 3, 4, источника излучения 5 и фотоприемников 6, 7, 8, подключенных к блоку обработки сигнала (не указан). На свободном торце световода 1 сформированы отражающие грани призмы Порро. Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.

На Фиг. 2 показано прохождение излучения для варианта конструкции:

а) Ход лучей для воздуха. Засвечены световоды 2, 4.

б) Ход лучей для жидкости. Засвечен световод 3.

Фиг. 3: прохождение излучения для варианта конструкции. Внеосевые приемные световоды расположены к оптической оси передающего световода под углом:

а) Ход лучей для воздуха. Засвечены световоды 2, 4.

б) Ход лучей для жидкости. Засвечен световод 3.

Возможны варианты схем, например, один несоосный приемный световод.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления, в т.ч. в нестационарных объектах. Предложен датчик для контроля уровня и типа жидкости, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения, передающий волоконный световод, чувствительный элемент, приемные соосный с подающим и внеосевые волоконные световоды и фотоприемники, подключенные к блоку обработки сигнала. Расстояние до внеосевых световодов от осевого является функцией рабочей длины волны излучения, зазора между приемным и передающим световодами и апертурных углов световодов для измеряемых сред. На свободном торце передающего световода чувствительного элемента сформирована призма Порро с ребром при вершине большего угла, проходящим через центр световедущей жилы и перпендикулярным плоскости, в которой расположены оптические оси световодов. Вариант исполнения: внеосевые приемные световоды расположены к оптической оси передающего световода под углом, не превышающим апертурные углы световодов для соответствующей их положению среды. Техническим результатом является создание помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик для контроля уровня жидкости, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения, передающий волоконный световод, чувствительный элемент, приемный волоконный световод и фотоприемник, подключенный к блоку обработки сигнала, при этом чувствительный элемент выполнен в виде установленных в оправе с зазором двух отрезков волоконных световодов, одни торцы которых в зазоре оптически согласованы между собой, а другие оптически согласованы соответственно с передающим и приемным волоконными световодами, отличающийся тем, что датчик дополнительно содержит внеосевые приемные световоды и фотоприемники, причем расстояние от торцов внеосевых световодов до осевого световода является функцией рабочей длины волны излучения, зазора между приемным и передающим световодами и апертурных углов световодов для измеряемых сред, а на свободном торце передающего световода чувствительного элемента сформированы отражающие грани призмы Порро с ребром при вершине большего угла, проходящим через центр световедущей жилы и перпендикулярным плоскости, в которой расположены оптические оси световодов.

2. Датчик для контроля уровня жидкости по п. 1, отличающийся тем, что внеосевые приемные световоды расположены к оптической оси передающего световода под углом, не превышающим апертурный угол световода для соответствующей его положению среды.