СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ И ВИДА ЖИДКОСТИ И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ И ВИДА ЖИДКОСТИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА 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. В процессе освобождения световода от жидкости на его торце некоторое время остается истончающаяся пленка жидкости, при этом возникает своеобразное просветляющее покрытие переменной во времени толщины.

Результатом взаимодействия излучения, поступающего по световоду к торцу, с таким покрытием, будет переменный во времени отраженный сигнал, мощность которого зависит от толщины пленки и длины волны излучателя - до полного стекания пленки жидкости, ее полного испарения или стабилизации толщины. Это на несколько секунд, а иногда до минут может задержать получение точного результата. Колебания сигнала могут достигать 5 дБ и более, что на подвижных объектах, например, в топливных баках летательных аппаратов, может быть истолковано как колебания уровня топлива в зоне датчика в результате маневра летательного аппарата или атмосферных возмущений ("болтанки"), в то время, как его реальный расход уже значительно выше. Поэтому такой способ измерения уровня жидкости нельзя признать полностью надежным.

Цель изобретения - создание надежного способа измерения уровня жидкости и пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для осуществления этого способа. Это достигается тем, что при погружении одного из торцов волоконного световедущего элемента в контролируемую емкость, засветке второго торца световедущего элемента и последующей оценке мощности отраженного от погруженного торца сигнала на торец чувствительного элемента по оптическому волокну подают оптический сигнал не менее, чем от двух излучателей с некратными длинами волн излучения, фиксируют отраженный обратно в волокно от торца сигнал, а о результате судят по большему значению мощности отраженного сигнала для заданных длин волн. Возможны варианты этого способа измерения:

1. Сигналы от источников излучения подают на торец волоконного световода последовательно, и так же последовательно оценивают.

2. Сигналы от источников подают параллельно и оценивают смешанный отраженный сигнал.

3. Сигналы от источников подают параллельно, после отражения их спектрально разделяют и оценивают раздельно.

Этим вариантам способов измерения соответствуют различные оптические схемы волоконно-оптических датчиков уровня жидкости, например:

1. Датчик, включающий чувствительный элемент с сигнальным торцом волоконного световода, подводящий волоконный световод, два последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителя, к выходным полюсам первого подключаются источники излучения с некратной друг другу длиной волны излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя, второй выходной полюс второго разветвителя подключен к фотоприемнику, а входной полюс - к подводящему световоду.

2. Датчик, включающий чувствительный элемент с сигнальным торцом волоконного световода, подводящий волоконный световод, два последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителя, к выходным полюсам первого подключаются источники излучения с некратной друг другу длиной волны излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя, второй выходной полюс второго разветвителя подключен к входу оптического демультиплексора, а входной полюс - к подводящему световоду. Выходы демультиплексора подключены к фотоприемникам.

Заявленные признаки являются существенными:

Когда толщина слоя жидкости на торце датчика (по сути - просветляющего покрытия, т.к. коэффициент преломления у многих жидкостей меньше, чем у световода) равняется или кратна 1/4 длины волны излучения, лучи, отраженные от ее наружной и внутренней сторон, гасятся вследствие интерференции и их интенсивность становится равной нулю, т.е. датчик фиксирует ложное срабатывание, показывает наличие жидкости.

Применение других источников с некратными первому источнику длинами волн в этот же момент (или близкий к нему по времени, поскольку, например, смена длины волны может вестись с высокой частотой) обеспечит нормальное срабатывание датчика, поскольку для другой длины волны пленка такой толщины не будет просветляющей, а о результате судят по большему значению отраженного сигнала для заданных длин волн.

Возможна и параллельная засветка торца световода - либо с суммированием отраженных сигналов и их оценкой, либо с их разделением по длинам волн на демультиплексоре и раздельной оценкой по максимальному значению. Эти способы также обеспечат нормальное срабатывание датчика.

На практике потери оптической мощности возвратного сигнала при контакте торца волокна с воздухом составляют 20...22 дБ при последовательном включении излучателей, 17… 19 дБ при одновременном включении излучателей, при контакте с жидкостью - 28…33 дБ в норме; а в том случае, если одна из длин волн дает ложное срабатывание, вторая дает истинное значение, а оценку ведут по суммарному сигналу, потери составляют 20…22 дБ.

На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов конструкции:

Датчик состоит из чувствительного элемента: волоконного световода 1 с сигнальным торцом 2, подводящего волоконного световода 3, двух последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителей 4 и 5. К выходным полюсам первого разветвителя 4 волоконными световодами 6 и 7 подключаются источники излучения 8 и 9 с некратными друг другу длинами волн излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс волоконным световодом 10 подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя 5, второй выходной полюс второго разветвителя подключен волоконным световодом 11 к фотоприемнику 12, а входной полюс - к подводящему световоду 3. Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.

На Фиг. 2 показана схема второго варианта конструкции: Датчик состоит из чувствительного элемента: волоконного световода 1 с сигнальным торцом 2, подводящего волоконного световода 3, двух последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителей 4 и 5. К выходным полюсам первого разветвителя 4 волоконными световодами 6 и 7 подключаются источники излучения 8 и 9 с некратными друг другу длинами волн излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс волоконным световодом 10 подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя 5, второй выходной полюс второго разветвителя подключен волоконным световодом 11 к входу оптического демультиплексора 13, а входной - к подводящему световоду 3. Выходы демультиплексора 13 волоконными световодами 14 и 15 подключены к фотоприемникам 12 и 16 соответственно.

Возможны варианты схем, например большее чем 2, количество излучателей и фотоприемников и иные типы разветвителей, например, направленные разветвители, имеющие более двух выходных полюсов, к которым подключены излучатели и фотоприемник.

Изобретение предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления, в том числе в нестационарных объектах. Техническим результатом является создание надежного способа измерения уровня жидкости и пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для осуществления этого способа. Способ контроля уровня жидкости, включающий погружение одного из торцов волоконного световедущего элемента в контролируемую емкость, засветку второго торца световедущего элемента и последующую оценку мощности отраженного от погруженного торца сигнала, при этом засветку ведут не менее чем двумя некратными по длине волн излучателями и о результате судят по большему значению мощности отраженного сигнала для заданных длин волн. Датчик включает чувствительный элемент с сигнальным торцом световода, подводящий волоконный световод, направленный волоконно-оптический разветвитель, к выходным полюсам разветвителя подключены источник излучения и фотоприемник, а входной полюс подключен к подводящему волоконному световоду, при этом к выходному полюсу разветвителя подключен не менее чем один дополнительный источник излучения с некратной первому источнику длиной волны излучения. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля уровня жидкости, включающий погружение одного из торцов волоконного световедущего элемента в контролируемую емкость, засветку второго торца световедущего элемента и последующую оценку мощности отраженного от погруженного торца сигнала, отличающийся тем, что засветку ведут не менее чем двумя некратными по длине волн излучателями и о результате судят по большему значению мощности отраженного сигнала для заданных длин волн.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигнал от источников подают последовательно и так же последовательно оценивают.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигналы от источников подают параллельно и оценивают смешанный отраженный сигнал.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигналы от источников подают параллельно, после отражения их спектрально разделяют и оценивают раздельно.

5. Датчик для контроля уровня жидкости для осуществления способа по пп. 1 – 3, включающий чувствительный элемент с сигнальным торцом световода, подводящий волоконный световод, направленный волоконно-оптический разветвитель, к выходным полюсам разветвителя подключены источник излучения и фотоприемник, а входной полюс подключен к подводящему волоконному световоду, отличающийся тем, что к выходному полюсу разветвителя подключен не менее чем один дополнительный источник излучения с некратной первому источнику длиной волны излучения.

6. Датчик для контроля уровня жидкости для осуществления способа по пп. 1, 4, включающий чувствительный элемент с сигнальным торцом световода, подводящий волоконный световод, направленный волоконно-оптический разветвитель, к выходным полюсам разветвителя подключены источник излучения и фотоприемник, а входной полюс подключен к подводящему волоконному световоду, отличающийся тем, что к выходным полюсам разветвителя подключен не менее чем один дополнительный источник излучения с некратной первому источнику длиной волны излучения и оптический демультиплексор, а количество фотоприемников равно числу рабочих длин волн.

7. Датчик по п. 5, отличающийся тем, что основной и дополнительный излучатели подключены к направленному разветвителю через второй направленный разветвитель, соединенный с первым последовательно.

8. Датчик по п. 5, отличающийся тем, что направленный разветвитель имеет более двух выходных полюсов, к которым подключены излучатели и фотоприемник.