Волоконно-оптический уровнемер Советский патент 1986 года по МПК G01F23/22 

Л

LffS.

няющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала. Значение показателя преломления уменьшается снизу вверх в соответствии с определенными соотношениями. При наличии в резервуаре жидкости для части светового излучения от источника 1 нарушится условие полного внутреннего отражения на границе световод 1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для непрерывного контроля уровня жидкостей в резервуарах.

Целью изобретения является упро- щение конструкции, повышение надежности устройства.

На фиг.1 представлена принципи- альная схема предлагаемого уровнемера; на фиг.2 - характер изменения значения показателя преломления вдоль чувствительного элемента; на фиг.З - функция преобразования уровнемера при контроле уровня различных жидкостей. .

В предлагаемом устройстве используется явление увеличения угла конуса распространения лучей.в световоде с уменьшающимся вдоль оптической оси

показателем преломления, а также за висимости числа лучей (а, соответственно, интенсивности) от показателя преломления контролируемой жидкости и ее уровня.

В световоде с постоянным сечением S инварианта Штраубеля записывается следующим образом;

-

n S sin-U const,

(1)

30

где S - сечение световода;

п - показатель преломления;

и - угол распространения луча

с оптической осью световода. Пусть в начале чувствительного элемента показатель преломления равен п(0)35 п., а угол распространения - Ug. Следовательно, согласно вьфажения (1) на расстоянии х от начала чувствительного элемента для произведения п (x) Sin и(х) можно записать

п(х) sin и(х) п,- sin Ug, (2)

жидкость, что приведет к изменению интенсивности светового потока, приходящего к приемнику 4. Благодаря изменяющемуся вдоль оптической оси показателю преломления материала световода угол конуса световых лучей по мере их движения вдоль чувствительного элемента монотонно возрастает. 3 ил.

0 S

я

20

где п(х) - показатель преломления в точке X чувствительного элемента;

и(х) - угол распространения луча с оптической осью в точке х.

Определим, в какой точке х чувствительного элемента, луч вошедший в него под углом с оптической осью Up, покинет чувствительный элемент из-за нарушения условия полн ого внутреннего отражения. Синус угла падения на границу раздела световод - среда в точке х sinoi cos U(x) -л|1 - sin U(x).

Пд

С другой стороны sin об 7) t

где п - показатель преломления окружающей среды. Следовательно

-2jj л|1 - ). (3)

Подставим значение sin U(x) из выражения (2)

sg))

Выразим из выражения (4) sin

:3in U, ----Jn4x) - . (5) )

Анализ выражения (5) показывает, что с увеличением расстояния х от начала чувствительного элемента, т,е. с уменьшением п(х), так как п(х) уменьшается снизу вверх с увеличением X, уменьшается sin Uj, (х), определяющий конус световых лучей на входе в чувствительный элемент, для которых вьшолняется условие полного внутреннего отражения.

Изменение Интенсивности распространяющегося потока 1 пропорционально изменению (х), величина которого определяет конус световых лучей, на входе для которых выполняется условие полного внутреннего отражения. Следовательно

(6)

Кх) К (х),

где К - коэффициент пропорциональности. Чувствительность устройства S оп„ dl(x) ределяется из соотношения S ---.

С целью линеаризации функции преобразования требуется, чтобы

S const -oi, dx

так как с увеличением х происходит уменьшение 1(х).

С учетом выражения (5) и (6) выражение для S можно записать следующим образом:

5 кЛ((х))

dx

dx

К

5r -S; W- 5 lК d 2/ ч -2 j пЧх) -ai. n dx

Выражение (8) можно представить, в виде

) , (9)

, oi где b --- const.

К.

в результате интегрирования выражения (9) имеет

п(х) с - , (10) где с - постоянная интегрирования.

Определим постоянные коэффициенты с и b из граничных условий следующим образом. При X - Оп(0) п, (значению показателя преломления в нижней точке чувствительного элемента). С учетом выражения (10) для постоянной с имеем

с n (11)

При X L верхняя точка чувствительного элемента n(L) и,- дп, гдедп общее изменение йоказателя преломления чувствительного элемента.

Подставим значение n(L) в выражение (10)

(п,- лп)2 nf - .(12)

Так как п, лп (порядка в 20-50 раз), то (п , - U п)i п - 2п,йп. С учетом этого, для выражения (12) имеем

п, - 2п,йп п - .(13)

о

Откуда постоянная b имеет следующее значение.

b

2дп

JI

L

Таким образом, с учетом выражений (11) и (14) изменение показателя пре- 15 ломления вдоль оптической оси х чувствительного элемента определяется выражением

2йп 1

b

(15)

20

или

п(х) n,-Jl 24П

п

. (16)

30

35

40

25 При выполнении чувствительного элемента с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления, определяемом выражением (16), интенсивность светового излучения по мере движения лучей вдоль чувствительного

элемента уменьшается равномерно, что обеспечивает линейную функцию преобразователя устройстве и постоянную чувствительность по всему диапазону измерения.

Подставим выражение (16) в (5)

,т / 1 2/1 2йпх г

in и.,(х) (1г-)-п .

п, 1 п L 2

(17)

sin

При X О имеем

in и о (О) - п

sin

(18)

45 При X L имеем

0

тт /т 1 2 ч 2bnv г sin. U(L) ---njn d- ---) - n.

(19) Выражение (19) показывает лучи, углами распространения которых на выходе чувствительного элемента пройдут через световод чувствительного элемента без потерь, т.е. все лучи, углы распространения которых на входе Ug и,, (L) пройдут световод чувствительного элемента без потерь. Видно, что sin UO(L) определяется как параметрами самого чувствительного злемента (n,, u n) , так и параметрами окружающей среды (п).

Если окружающая среда воздух с п 1, то выражение (19) примет следующий вид:

sin и„(2)

о Т

n(,-2f)1.

(20)

Соответственно интенсивность светового потока, прощедшего чувствительный элемент без потерь, на нарушение условия полного внутреннего отражения определяемся согласно выражению (6) выражением

(1 ) - l. . (21).

В дальнейшем будем рассматривать только те лучи, которые на воздухе .проходят чувствительный элемент без потерь, так как именно эти лучи (и изменение их количества) несут инфор мацию об изменении уровня жидкости.

.

Если окружающая чувствительный

элемент среда имеет показатель преломления , то интенсивность светового патока 1, прошедшего чувствительный канал без потерь, определяется выражением

-) (22)

Это значит, что при 2 L числи2 ,. . 1

.i --п:.ж(27)

Изменение уровня жидкости 2 приводит к тому, что в большинстве случаев чув-,, тель выражения (26) должен быть боль- ствительный элемент бывает частично ше О погружен в жидкость. В этом случае величину п надо заменить на некоторый эффективный показатель преломления п, который учитыв ает показатель Q преломления контролируемой жидкости и ее уровень,

Так как сечение световода чувствительного элемента есть величина, то

45

Выражая из этого неравенства п,

получим

,,.|1 (1 .D|j

(28)

для n

(fCf

можно записать соотношение

Выражение (26) является математической моделью предлагаемого устройства. Анализируя выражение (26), можно сделать вывод, что с - увеличением уровня жидкости I относительный Q сигнал на выходе чувствительного эле- мента уменьшается, так как уменьшается числитель выражения.

(Пж - n

Е .е

Г

n,(L

уровень жидкости;.

показатель преломления жидкости;показатель преломления возДУ -а. п 1,

(

,,J+ 1

(24)

296

При i Оп, 1, что соответствует нахождению чувствительного элемента на воздухе, при t Ьп,фа п, что соответствует полностью погруженному в жидкость чувствительному элементу.

С учетом выражений (22) и (24) интенсивность света, прошедшего частично погруженный в жидкость с п чувствительный элемент, можно определить выражением

(,)1.,Г),

(25)

где - уровень жидкости или протяженность прогруженного в дадкость участка чувствительного элемента.

Соответственно, относительное (к сигналу на воздухе I ) изменение сигнала (интенсивности светового потока) на выходе чувствительного элемента определяется соотнощением

Ш1

1о

п(1- )-() H/L

n()(26)

При полностью погруженном в жидкость чувствительном элементе сигнал на выходе чувствительного элемента должен быть отличным от О, иначе чувствительность в верхней точке диапазона измерения будет очень малой.

Это значит, что при 2 L числитель выражения (26) должен быть боль- ше О

2 ,. . 1

.i --п:.ж

ь выражения (26) должен О

тель выражения (26) должен быть боль ше О

Выражая из этого неравенства п,

получим

ь выражения (26) должен быть боль О

,,.|1 (1 .D|j

(28)

45

Выражение (26) является математической моделью предлагаемого устройства. Анализируя выражение (26), можно сделать вывод, что с - увеличением уровня жидкости I относительный Q сигнал на выходе чувствительного эле- мента уменьшается, так как уменьшается числитель выражения.

Схема устройства (фиг.1) состоит из источника излучения 1, волоконно- оптической линии 2 передачи информации, чувствительного элемента 3, выполненного из световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем пре , ломления,приемника излучения 4.Чувст55

витальный элемент 3 закреплен в корпусе 5 и помещен в резервуар 6, в котором происходит контролируемое изменение уровня Ж1ЩКОСТИ.

Выносными линиями АА обозначены границы чувствительного элемента длиной L. Стрелками с цифрами показаны соответствующие значения показателя преломления чувствительного элемента в точках с х 0; О, 25L; 0,5L; 0,75L; 1,OL.

Устройство работает следующим образом.

Световое излучение от источника .посредством волоконно-оптической ли- НИИ 2. передачи информации подводится к чувствительному элементу 3 с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления. Пройдя чувстви- тельньш элемент 3, Световое излуче- ние посредством волоконно-оптической линии передачи информации попадает на приемник излучения 4, сигнал которого контролируется измерительными приборами.

В отсутствие жидкости сигнал на выходе чувствительного элемента определяется только теми лучами, для которых по всей длине чувствительного элемента 3 выполняется условие полного внутреннего отражения (выражение (21)). Число лучей, прошедших чувствительный элемент, постоянно, соответственно постоянна и интенсивность светового потока I (21), падающего на приемник излучения.

При появлении жидкости с показателем преломления п 1, для части лучей нарушается условие полного внутреннего отражения на границе све товод - жидкость и они покидают чув ствительный элемент и выходят в жидкость. Соответственно изменяется интенсивность светового потока, падающего на приемник излучение, что фиксируется измерительными приборами.

Так как чувствительный элемент : выполнен с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления, причем уменьшение преломления происходит снизу вверх, то угол конуса световых лучей по мере их движения вдоль чувствительного элемента монотонно возрастает.Следовательно, для каждого участка чувствительного элемента имеютс световые лучи, для которы при погружении этого участка чувствительного элемента нарушается условие

г

5 0 5

полного внутреннего отражения. Поэтому при увеличении уровня жидкости И световые лучи покидают чувствительный элемент постепенно, по мере нарушения для них условия полного внутреннего отражения на границе чувстви- тельньм элемент - жидкость. Соответственно происходит уменьшение интенсивности светового потока, падающего на приемник излучения, что фиксируется измерительными приборами. При уменьшении уровня жидкости число лучей, прошедщих чувствительньй элемент, возрастает, что приводит к увеличению интенсивности светового потока , падающего на приемник излучения , что также фиксируется.измерительными приборами.

На фиг.2 цифрой 7 показан характер изменения показателя преломления вдоль чувствительного элемента. Цифрой 8 для сравнения показана линейная зависимость.

На фиг.З показаны зависимости относительного изменения тока фотодиода от относительного изменения уровня жидкости I/If, f(l/L) или функция преобразования устройства; циф0 рой 9 показана зависимость для воды (п г 1,33), цифрой 10 - для ацетона (,36), цифрой 11 - для бензина (,38). Анализ зависимостей, изображенных на фиг.З, показывает,

что при контролировании уровня бензина функция преобразования линейна, а для воды и ацетона она близка к линейной.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический уровнемер, содержащий последовательно соединенные источник излучения, волоконно- оптическую линию передачи, чувствительный элемент, выполненный в виде световода, и приемник излучения, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения надежности работы

устройства, чувствительный элемент. выполнен в виде прямолинейного воло- koHHo-оптического световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала световода.

2. Уровнемер поп.1, отличающийся тем, что изменение показателя преломления материала све91280329

товода вьтолнено снизу вверх в соответствии с соотношениями

I л 2йп X

п(х) п,1---- --ДП,-В1(1 ),

2.П1

где п - значение показателя преломления на отметке нижнего контролируемого уровня жидкости;

10

- общее изменение показателя преломления по длине чувствительного элемента длина чувствительного элемента;- ось координат, совпадающая

с оптической осью световода; - показатель преломления контролируемой жидкости.

0,25 0,5 0,15 1,0 / Риг.2

0,1 0,2 ff,3 0,t 0,5 (6 0,7 0,9 f,ff f

Фс/г.З

10

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для непрерывного контроля уровня жидкости. Цель изобретения - повышение надежности работы устройства. С этой целью в волоконно-оптическим уровнемере, содержащем последовательно соединенные источник излучения 1, волоконно-оптическую линию 2 передачи информации, чувствительный элемент 3 и приемник излучения 4, волоконный световод чувствительного элемента 3 выполнен с изме(Л

Редактор Т.Парфенова

Составитель Е.Подымов

Техред И.Попович Корректор С .Черни

Заказ 7048/40 Тираж 705Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делим изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

.Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4