Оптический уровнемер Советский патент 1990 года по МПК G01F23/292 

по экспоненциальному закону с коэффициентом затухания, практически равным нулю.

Фаза i и II составляющих излучения изменяется скачком при отражениях от границы пластины - световода 3 следующим образом:

E2 .(7)

Подставив значениеЕ в формулу 4, получаем

Si E ii-So+Ej .(8)

5Тогда

. iE,,.(9)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости. Цель изобретения - повышение точности. При воздействии жидкости на поляризованное оптическое излучение, проходящее по прозрачной пластине 3, изменяется его поляризация, параметры которой определяются измерителем параметров Стокса 4, с выходов которого сигналы через ключи 5 и аналого-цифровой преобразователь 6 поступают на вычислительное устройство 7, которое по заданному алгоритму вычисляет значение уровня жидкости. Для оптического излучения в пластине выполняется условие полного внутреннего отражения как на границе с газом, так и на границе с жидкостью. 1 ил.

l 2arctg

5|1 2arctg

(2)

где бх- скачок фазы J. составляющей;

(3 II - скачок фазыИ составляющей;

а- угол между перпендикуляром к границе раздела и направлением падения луча;

щ - показатель преломления световода 3;

по - показатель преломления окружающей среды.

Разность фаз i и II составляющих при одном полном внутреннем отражении определяется д д - 5i

При изменении сдвига фаз между составляющими излучения в световоде 3 изменяется состояние поляризации света. Для описания состояния поляризации света используют параметры Стокса:

(3) (4)

32 2Ех- Е II cos б ,(5)

S3 2 Ej Е I sin (3 ,(6)

Si E ll-Ef

где Е

1

II - усредненные по времени

составляющих электрического поля;

(5- разность фаз между составляющими;

50- интенсивность;

51-параметр преимущественной горизонтальной поляризации;

52- параметр преимущественной поляризации под углом +45°;

53- параметр преимущественной пра- воциркулярной поляризации.

Выходящее из пластины (световода) 3 излучение направляется на измеритель 4 параметров Стокса. На выходе измерителя 4 снимаются напряжения, пропорциональные параметрам Стокса. Электрический сигнал через ключи 5 поступает на аналого- цифровой преобразователь 6, сигналы с которого служат входной информацией .для вычислительного устройства 7.

Из формул 3 и 4 определяются значения EII и EJ.

,(10)

10 Проанализировав значения подкоренных выражений в формулах 9 и 10, определяем действительные значения ЕХИ Е ц :

15

если So-Si 0,,

если So-Si 0,

20

если So + Si О, то Еи ° + .

если So + Si О, то ЕЦ f S о + S il

Зная величины Е и Еи , определяем значение набега разности фаз б в угле О - 360°,

Из формулы 5 следует, что

° 2Е,|%х.

из формулы 6 следует, что

sin(5.-(11)

(12)

2Е|| Ei

Далее, воспользовавшись значениями cos б И81п(5 .изформул 11 и 12определяем величину д в угле О - 360°, если cos б из1п(, то л S2 о arccos 7ГЁс ;

Ь|| t.1

если cos(5 О, а sin б О, то

S 2

б - arccos тгЕс +

2 Ь|| tj

если cos б О, а sin б О, то

б -arccos

. если cos б О и sin б О, то

S2 ,.

б я 4-arccos

2 Еи

Таким образом определяется значение б в пределах О-360°. При отсутствии жидкости регистрируется величина набега разности фаз (по отношению к данному значению бо и ведется отсчет набега фаз при наличии жидкости). При появлении жидкости с показателем преломления П2 (большим,чем у воздуха) значения 6i уменьшаются для отражений луча от границы световод - жидкость.

Величина изменения фазы при одном отражении при появлении жидкости

A((5,«,

гдеЙ - разность фаз 1и II составляющих при одном показателе полного внутреннего отражения от границы раздела световод - жидкость,

д л JS 01 О|| -GI,

бп б|| (По П ж). 3(По Пж),

где (5 - разность фаз I и II составляющих при одном полном внутреннем отражении от границы раздела световод - воздух:

(5ie(5ii«-(5«

д,

1 - - II - j

Ml б|| (По П в),

д д( Пв),

На фиг. 2 приведены графики зависимости разности фаз при одном отражении от угла падения светового луча на границу раздела а для различных значений показателя преломления жидкости. Таким образом, с ростом уровня жидкости величина общего набега разности фаз с ветоводе 3 уменьшается по отношению к набегу разности фаз при отсутствии жидкости. Наименьший набег разности фаз (НРФ) - при наибольшем уровне жидкости.

При вoзpactaнии уровня жидкости значение набега разности фаз по отношению к (5оможет многократно превышать 360°. Следовательно, возможно неоднозначное истолкование результатов измерения уровня. Для устранения неоднозначности испульзу- ется специально разработанные алгоритм обработки результатов измерения параметров Стокса. Неоднозначность устраняется регистрацией и учетом всех переходов че- рез 360° и через 0°.

Переход через 360° регистрируется следующим образом; если di«5i-i, где (5| - текущее значение сдвига фаз; (5| -1 - предыдущее значение сдвига фаз, то уровень жидкости увеличивается или при уменьшении уровня жидкости произошел переход НРФ через 360°. Таким образом,

(t5i-i-)-(5,0,To

произошел переход НРФ через 360° и число этих переходов увеличивается на единицу (число переходов через 360° снизу). Увеличение числа переходов через 0° на единицу означает уменьшение числа переходов через 360° на единицу.-

Переход через 0° регистрируется следующим образом; если д , то уровень

если 5| di- 1

жидкости.уменьшения или при увеличении- уровня жидкости произошел-переход набега разности фаз через 0°.

Теперь уровень жидкости в резервуаре может быть определен по формуле А

h LS5T

hi.

(13)

где hi - расстояние между двумя соседними показателями полного внутреннего отра- жения

ц1 - d

ctga

(14)

Q учетом 14 выражение 13 принимает 15 следующий аид:

,e. (15)

Д (1 ctg а

где h - уровень жидкости в резервуаре; L - длина световода;

А- общий набег фаз между и II составляющими;

d - толщина пластины - световода; A6i - величина изменения фаз при од- ном отражении, определяемая экспериментально при появлении жидкости;

«-угол между перпендикуляром к границе световод - окружающая среда и направлением падения луча.

Формула изобретения

Оптический уровнемер, содержащий источник оптического излучения, поляризатор, прозрачную пластину и вычислительное устройство, причем источник излучения оптически связан с входом поляризатора, выход которого оптически связан с верхним торцом пластины, отличающийся тем,

что, с целью повышения точности, введены измеритель параметров Стокса, блок электронных ключей и аналого-цифровой преобразователь, при этом нижний торец прозрачной пластины оптически связан с

входом измерителя параметров Стокса, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому вхо- дам блока электронных ключей,

управляющий вход которого подключен к выходу вычислительного устройства, а первый, второй, третий и четвертый выходы блока электронных ключей подключены к первому, второму, третьему и четвертому

входам аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом вычисительного устройства.

frff«1,SS t f.S