Измерительный преобразователь уровня жидкости Советский патент 1990 года по МПК G01F23/22 

Гр

-i.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве устройства, предназначенного для измерения уровня жид ких сред как в различных отраслях народного хозяйства, так и в научных исследованиях.

Целью изобретения является линеари зация выходной характеристики и расши рение диапазона измерений.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 - физическая модель многократных отражений в поверхностном слое, граничащем со световодом; на фиг. 3 статические характеристики устройства и прототипа.

Измерительный преобразователь содержит (фиг. 1) источник 1 излучения (ИИ) , блок 2 ввода излучения (БВВИ) , световод (С) 3, блок k вывода излучения (ЬВИ), фотоприемник (ФП) 5, блок б индикации (БИ).

Источник 1 излучения оптически свя зан с входом БВВИ, выход которого свя зан с верхним торцом световода 3, ниж ний торец которого связан с входом БВИ, выход которого связан с входом ,ФИ 5, выход которого связан с блоком индикации.

Все элементы конструкции являются стандартными.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение от ИИ 1 (например, коллимированное излучение от световода АЛ107Б) через БВВИ 2 попадает в световод 3 под углом q, для которого с учетом преломления на входном торце, условие полного внутреннего отражения на границе световод - воздух будет сохраняться и в жидкости, уровень которой будет контролироваться

. П-2

у arcsin-,

где п - показатель преломления жидкости;п1 - показатель преломления све-

товода.

При отсутствии контакта чувствительной поверхности световода 3 с жидкостью (нижний уровень h, ) мощность, создаваемая излучателем, пере- дается на ФП 5 по С 3 путем полного внутреннего отражения от его границ. Сигнал на выходе ФП lj соответствует нулевому значению уровня жидкости.

0

5

0

25

30

35

40

45

При появлении жидкости и увеличении ее объема изменяется показатель преломления п3 на границе световода (нарушение ПВО не происходит), что приводит к возрастанию коэффициента отражения. Это вызывает рост выходного тока ФП Ь, значение которого соответствует уровню контролируемой жидкости.

Поверхности реальных образцов, используемых в качестве чувствительного элемента датчиков, представляют собой весьма сложное образование. Даже при использовании наиболее совершенных современных методов подготовки поверхности и ее очистки от каких бы то ни было пленок на образце всегда существует некоторый поверхностный слой (толщиной порядка несколько десятков ангстрем), структура и оптические свойства которого отличаются от свойств самого материала.

На фиг. 2 изображена картина многократных отражений в пленке (II) с показателем преломления пэ, граничащей со средами, показатели преломления которых п (световод) и пг (окружающая среда - воздух или жидкость). При отражении Ьудет происходить интерференция лучей 1,2,5. Если амплитуду падающего луча принять равной единице, то амплитуда отраженного луча равна R,. Каждый из последующих лучей будет сдвинут по фазе относительно предыдущего на величину 2rf, соответствующую оптической разности хода на участках лучей ABC и АА. Полная амплитуда R отраженного луча будет иметь вид

Q

,.

К 12+11-236

к

-1,4

1+RnUl3«

-а,-«Г

При одном и том ме угле падения коэффициент отражения различен для падения волны на границу из различных сред. С появлением в резервуаре жидкости, уровень которой контролируется, изменяется комплексный коэффициент отражения К13, следовательно, изменяется разность фаз между отраженными волнами. Отраженные волны усиливают друг друга, полная амплитуда увеличивается. Чем выше уровень жидкости, тем больше длина участка, на котором изменяетя п3, тем выше выходная амплитуда сигнала.

Статическая характеристика устройства представлена на фиг. 3 (кривая 2), на фиг. 3 кривая 1 - статическая характеристика прототипа.

Сравним линейность кривой 1 и 2 (линеаризованные кривые). Найдем максимальную приведенную погрешность по статической характеристике:

л 4

dH -)

где АХ - максимальное отклонение от

линейной характеристики; D - диапазон (от 0 до 50 мм). Для прототипа

Й9-15) 5

0,5.

15

Для предлагаемого устройства

4 -5°:3§Л2 п 2k

d« 50 сравнения можно сделать вывод, что линейность статической характеристики предложенного преобразователя выше, чем у прототипа.

10

536212

Формула изобретения

Измерительный преобразователь уровня жидкости, содержащий источник направленного.излучения, выход которого оптически связан через блок ввода излучения с вертикально установленным световодом, выходной торец которого оптически связан с входом фотоприемника через блок вывода излучения, а выход фотоприемника связан с входом блока индикации, отличающийся тем, что, с целью, линеаризации выходной характеристики и расширения диапазона измерений, световод выполнен полированным, а источник излучения расположен под углом Lf к оси световода, величина которого определяется условием

. п2 а arc sin-,

4 ni

где nt - показатель преломления контролируемой жидкости или воздуха;

n 1 - показатель преломления световода .

15

20

25

Изобретение относится к технике контроля технологических параметров и может быть использовано для измерения уровня жидкостей в технологических аппаратах гидрометаллургического, нефтехимического и других производств. Благодаря тому, что угол ввода излучения в световод выбирается таким, что полное внутреннее отражение от его границ сохраняется не только в воздухе, но и в жидкости, и выходной сигнал растет с ростом ее уровня, предлагаемый преобразователь позволяет расширить диапазон измерений и добиться линейности выходной характеристики. Преобразователь содержит источник излучения 1, блок ввода излучения 2, световод 3, блок вывода излучения 4, фотоприемник 5, блок индикации 6. 3 ил.

П2Д

п3ж