Волоконно-оптический датчик жидких сред Советский патент 1990 года по МПК G01F23/292 

СА)

Юэ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровней жидких сред. Целью изобретения является увеличение светосилы датчика и снижение расхода световодов при изготовлении датчика. Излучение источника 1 вводится в световод 2 и направляется к чувствительному элементу 3. Пучок лучей, выходящих с торца передающего световода, отражается эллиптической поверхностью чувствительного элемента 3, формирует в области фокуса эллипсоида изображение торца световода 2 и далее попадает на торец приемного световода 4. Форма поверхности чувствительного элемента 3 выбрана так, что поверхности торцов световодов расположены в области фокусов двух эллипсоидов вращения и оптически сопряжены. Поэтому все лучи выходного пучка передающего световода 2 попадают на сердцевину световода 4 и поступают на фотоприемник 5. 3 ил.

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике, предназначается для измерения уровня жидких сред, в том числе криогенных и взрывоопасных, путем использования в составе дискретных уровнемеров и может найти применение в химической и пищевой промышленности, в теплоэнергетике, в криогенной технике.

Цель изобретения - увеличение светосилы датчика и снижение расхода световодов при изготовлении датчика.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого датчика: на фиг. 2 - ход лучей в чувствительном элементе; на фиг. 3 - схема устройства, осуществляющего способ сварки волоконно-оптических датчиков.

Волоконно-оптический датчик жидких сред содержит (фиг. 1) источник 1 излучения, например, полупроводниковый излучающий диод, оптически связанный с передающим световодом 2. Один источник может быть связан с несколькими передающими световодами при помощи волоконно- оптического ответвителя. Передающий световод 2 оптически связан с приемным световодом 4 при помощи чувствительного элемента 3. Концы передающего 2 и приемного 4 световодов, непосредственно примыкающие к чувствительному элеме 1ту 3, расположены параллельно один другому на расстоянии I d, где d - диаметр световода.

Сверху значение I принципиально не ограничено, но увеличение I ведет к увеличению габаритов чувствительного элемента. Оптимальное значение I 3d. В этом случае при малых ra6apMTax (,1 мм) достаточно хорошо выполняются приближения геометрической оптики, принятые при расчете чувствительного элемента. Чувствительный элемент 3 выполнен из прозрачного материала. Это может быть материал, из которого выполнены световоды 2 и 4. Поверхность чувствительного элемента 3, обращенная в сторону контролируемой среды, удалена не более чем на 2 % оси а от поверхности двух эллипсоидов вращения, имеющих общий ф окус F2, расположенный на оси датчика (фиг. 2) и удаленный от плоскости торцов световодов 2 и 4 на расстояние h : (стрелка датчика) 0,3 h 3, а второй фокус каждого эллипсоида совпадает с центром торца соответствующего световода 2 и 4, причем большая ось а и эксцентриситет е определяются из соотношений: a h + l/2, (1)

. . -

V h + I V4 h +1/2

Соотношения (1) и (2) выводятся из условия согласования апертур передающего 2 и приемного 4 световодов. В этом случае.как видно из фиг. 2, осевой луч движется по 5 прямоугольной траектории. Тогда в соответ- ствии с известными свойствами эллипса можно записать: .

a FiL + LF2 h + l/2,

10

,

(FiF2) () + h2.

(3)

Отсюда и следует соотношение (2). Нижняя 5 граница для интервала h : Ьмин 0,31 определяется условием, при котором для стандартного световода поверхность эллипсоида уже не пересекает все лучи все- товодов. Верхний предел Имакс 31 выбран 0 исходя из требований, чтобы крайние лучи выходного пучка передающего световода 2 падали только на левую поверхность чувствительного элемента 3. Оптимальное значение Ьопт составляет honr 0,91. Свободный 5 конец приемного световода 4 - с фотоприемником.

Датчик работает следующим образом. Излучение источника 1 вводится в световод 2 и направляется к чувствительному 0 элементу 3. Пучок лучей, выходящих с торца передающего световода, отражается левой эллиптической поверхностью чувствительного элемента 3 и формирует в области фокуса F2 изображение торца световода 2. 5 Распространяясь далее, пучок лучей отражается правой поверхностью чувствительного элемента 3 и попадает на торец приемного световода 4.

Форма поверхности чувствительного 0 элемента 3 выбрана так, что поверхности торцов световодов, расположенные в области фокусов FI и F2, оптически сопряжены. Поэтому практически все лучи выходного пучка передающего световода 2 попадают в 5 сердцевину световода 4 и поступают на фотоприемник 5,

Уровень принятого оптического сигнала зависит от условий отражения на передней поверхности чувствительного элемента. 50 При погружении чувствительного элемента в жидкость условия отражения изменяются, большая часть излучения выходит в среду, уровень принятого фотоприемником оптического сигнала падает, что и свидетельст- 55 вует об изменении уровня жидкой среды относительно элемента 3 датчика. Формула изобретения Волоконно-оптический датчик жидких сред, содержащий два световода, торцы которых на одном из концов лежат в одной плоскости и оптически связаны чувствительным элементом, выполненным из прозрачного материала, отличающийся тем, что, с целью увеличения светосилы датчика, поверхность чувствительного элемента, ограниченная апертурами световодов, выполнена в виде двух пересекающихся симметрично расположенных относительно оси датчика эллипсоидов вращения, первые фокусы которых совпадают с центрами торцов световодов, а вторые совпадают с точкой, лежащей на оси симметрии датчика.

расположенной на расстоянии h от торцовой плоскости световодов, при этом расстояние h, расстояние между осями световодов I и эксцентриситет эллипсоидов задаются соотношениями а h + 1/2,

V4 h-f 1/2 I 3d,

0,3I h 3I,

где a - длина большой оси эллипсоидов; d - внешний диаметр световода.

(Риг.г