Волоконно-оптический датчик уровня Советский патент 1985 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня или оптической плотности сред путем использования в составе дискретных уровнемеров и рефрактометров.

Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее источник излучения, переданной световод, призму полного внутреннего отражения, приемный световод и приемник излучения Л .

Наиоолее близким к предлагаемому , по технической сущности является волоконно-оптический датчик уровня, содержащий последовательно расположенные источник излучения, передающе оптическое волокно; первичный преобразователь, приемное оптическое волокно и приемник излучения; первичны преобразователь вьтолнен в виде плоских торцов передающего и приемного волокон, скоеенных под углом 90 друг к другу 2 .

В известных датчиках из передающего волокна на обращенную в сторону измеряемых сред плоскую поверхность первичного преобразователя падает расходящийся пучок света, что снижает чувствительность датчика - минимальньй регистрируемый дискрет оптических плотностей этих сред.

Цель изобретения повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике уровня, содержащем последовательно расположенные источник излучения, передакящее оптическое волокно, приемное оптическое волокно и приемник излучения, в котором передамщее и приемное волокна соединены с первичнь№{ преобразователем, выполненным в виде световода из оптически прозрачного материала, поверхность первичного преобразователя, обращенная в сторону измеряемых сред и ограниченная апертурами волокон вьтолнена из двух зеркально симметричных частей каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали .вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их торцов, при этом центры спиралей совмещены-с центрами торцов волокон, расстояние I между которыми определяется соотношением

е ы. ехрСО, 5 7 tgoi)

(1) при А 2с5,

угол 2(j между осями волокон - соотношением

(2)

2(| 4 ОС -и,

а угол oi падения луча, исходящего из центра торца передающего волокна, .на поверхность первичного преобразователя - соотношением

Sin 0 - ,

(3) 1

где d - диаметр световедущей жилы

передающего волокна, п., п„- показатели преломления соответственно материала первичного преобразователя и измеряемой среды с меньшим показателем преломления. На фиг. 1 приведена схема датчика ; на фиг. 2 - ход лучей в первичном преобразователе; на фиг. 3 графические зависимости усредненного коэффициента отражения от показателя преломления внешней среды для прототипа предлагаемого датчика.

Волоконно-оптический датчик уровня содержит источник 1 излучения, например полупроводниковый излучающий диод, оптически соединенньй с передающим оптическим волокном 2, который в свою очередь соединен посредством первичного преобразователя 3 с приемным оптическим волокном 4. Первичньй преобразователь выполнен из оптически прозрачного материала, например кварца. Его поверхность, обращенная в сторону измеряемых сред, состоит из двух зеркально симметричных частей, каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси OOj, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры JIX торцов (фиг. 2). Центры спиралей совпадают с центрами торцов соответствующих волокон,расстояние Ч и угол (между которыми определяются соотвественно соотношениями (1) и (2), а угол oi падения луча, исходящего из центра торца передающего волокна, на поверхность первичного преобразователя выбирается из соотношения (3)

Достаточно, чтобы поверхность .первичного преобразователя имела

3

предложенную форму только в областях, ограниченных апертурами 2Q передающего и приемного волокон. Приемное волокно 4 оптически соединено с приемником 5 .излучения, например фотодиодом.

Устройство работает следукмцим образом.

Излучение источника 1 направляется передаклцим волокном 2 к первичному преобразователю 3. Поток излучения 1о из выходного торца передающего волокна 2 падает на первую часть рабочей поверхности первичного преобразователя 3. Форма рабочей поверхности первичного преобразователя 3 в любом сечении, проходящем через ось, соединянщую центры торцов волокон 2 и 4, имеет вид логарифмической спирали, уравнение которой в полярной системе координат с центром в точке О и осью X имеет вид р 0,25 А ехр(( tp,«) . В этом случае лучи из волокна 2 падают на первую часть поверхности первичного преобразователя 3 под одним и тем же углом о(, . Отраженное от первой части излучение падает на вторую часть рабочей поверхности также под углом

oi и, отражаясь от нее, фокусируется на торце приемного волокна 4.

Как видно из фиг. 2, необходимьм условием фокусирования излучения на торце приемного волокна 4 является симметрия первичного преобразователя 3 относительно плоскости, проходящей через точку k пересечения крайних лучей ОВ и OBj апертуры и перпендикулярной оси 00| . Это условие с точностью до 1% обеспечивается при значениях 6 и 2 (j, определяемых соотношениями (1) и (2), справедливых при малых значениях угла

0(6 12°).

1504884

Поток получения I, поступающий в приемное волокно, равен

V

W

I

где коэффициент отражения R определяется, формулой Френеля

(n,co3()C--vn7-n 5in()6 )

,,----f -.J..- , ,

Ш R 0.5

(n,С09 06 - - n -nf 91 n ОС )

(n,C090 -4 l-n siyiVo6 Ojng) (n,CO 5ot+--(jn -nsin Ot П,/П2.)

где n и n - показатели преломления материала первичного преобразователя и внешней среды.

Из выражений (4) и (5) следует, что при изменении показателя преломления внешней среды (например, при погружении датчика в жидкость) изменяется и величина регистрируемого приемником 5 излучения сигнала

Угол сх1 выбирается из соотношения (3), при котором для внешней среды с меньшим показателем преломлешся п,(например, воздуха) вьетолняется условие полного внутреннего отражения .

На фиг. 3 приведены гранки зависимостей коэффи1щента отражетш R от показателя преломления внешней среды п лля предлагаемого датчика (кривая 1) и для прототипа (кривая 2) построенные для слзгчая п. 1,47; oi - в Ю°.

Изобретение повышает чувствительность волоконно-оптического датчика к минимально регистрируемому дискрету оптических нлотностей измеряемых сред.

ВОЛОКОННО-ШТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УРОВНЯ, содержащий последовательно расположенные источник излучения, передающее оптическое волокно, приемное оптическое волокно и приемник излучения, в котором передавшее и приемное волокна соедииеяы с первичньм преобразователем, выполненным в виде световода из оптически прозрачного материала, отличающийся тем, что, с целью повышеIния чувствительности датчика, по верхность первичного преобразователя. I й I обращенная в сторону измеряемых сред и ограниченная апертурами волокон, выполнена в виде двух зеркально симметричных частей, каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их торцов, причем центры спиралей совмещены с центрам торцов волокон, расстояние t между которыми определяется соотношением 6 ехр

с/

иг.1