ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ И ТИПА ЖИДКОСТИ Российский патент 2022 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 показателей преломления жидкостей невелика, невелик и перепад мощности сигнала, в ряде случаев сопоставимый с погрешностью измерений.

Цель изобретения - создание пожаробезопасного и помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости и ее типа. 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, при этом чувствительный элемент выполнен в виде установленных соосно в оправе с зазором двух отрезков волоконных световодов, одни торцы которых в зазоре перпендикулярны их оптическим осям, а другие оптически согласованы, соответственно, с передающим и приемным волоконными световодами. Датчик дополнительно содержит не менее одного внеосевого приемного световода, расстояние между которым и осевым является функцией рабочей длины волны излучения, апертурных углов световодов в измеряемых жидкостях и расстояния между передающим и приемным световодами. Несоосные приемные световоды могут быть расположены к оптической оси передающего под углом, не превышающим апертурный угол световода для соответствующей его положению среды.

Заявленные признаки являются существенными:

Когда торец датчика находится в керосине, апертурный угол минимален и захватывает осевой приемный световод, который выдает сигнал на свой фотоприемник. В воде угол больше, и сигнал фиксируется на осевом и на части удаленных (внеосевых) приемных световодов и соответствующих им фотоприемниках. В воздухе апертурный угол наибольший, и сигнал фиксируется на всех световодах и фотоприемниках. Таким образом, датчик, бывший аналоговым для уровня жидкости и аналоговым для ее состава, становится по сути цифровым (да-нет) и для уровня, и для состава жидкости. Для летательных аппаратов надежное разделение по типу жидкости особенно важно, поскольку ложное срабатывание датчика в топливном баке (наличие конденсатной свободной воды вместо керосина на замеряемом уровне) может привести к катастрофе из-за нехватки топлива.

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). Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.

На Фиг. 2 показано прохождение излучения для варианта конструкции:

Апертурный угол для среды 1, например, керосина 9. Засвечен световод 2.

Апертурный угол для среды 2, например, воды 10. Засвечены световоды 2, 3.

Апертурный угол для среды 3, например, воздуха 11. Засвечены световоды 2, 3, 4.

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

Апертурный угол для среды 1, например, керосина 9. Засвечен световод 2.

Апертурный угол для среды 2, например, воды 10. Засвечены световоды 2, 3.

Апертурный угол для среды 3, например, воздуха 11. Засвечены световоды 2, 3, 4.

Возможны варианты схем, например большее количество приемных световодов в каждой зоне.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления, в том числе в нестационарных объектах. Предложен 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 перпендикулярны их оптическим осям, а другие оптически согласованы соответственно с передающим и приемным волоконными световодами, при этом датчик дополнительно содержит как минимум один внеосевой приемный световод, расстояние до которого от осевого является функцией рабочей длины волны излучения, зазора между приемным и передающим световодами и апертурных углов световодов для измеряемых сред. Техническим результатом является создание пожаробезопасного и помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости и ее типа. 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 перпендикулярны их оптическим осям, а другие оптически согласованы, соответственно, с передающим и приемным волоконными световодами, отличающийся тем, что датчик дополнительно содержит как минимум один внеосевой приемный световод, расстояние до которого от осевого является функцией рабочей длины волны излучения, зазора между приемным и передающим световодами и апертурных углов световодов для измеряемых сред.

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.