Оптический уровнемер Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

a i arctg

d(2-1)

где L - длина пластины;

d - толщина пластины;

(21 - 1) - количество отражений светового луча от границы пластины на 1-ом шаге.

Для каждого угла ввода излучения определяется набег фаз Aie для отражений излучения от границы световод - воздух при помощи формул (1) и (2)

AiB-(dfi-(3Ј)

i

d tg a I

5ц 1АР-Д| Зв|- 3 |

где д - разность фаз и II составляющих 45 при одном ПВО от границы раздела световод-жидкость для а си. По пж 5цв - разность фаз i и II составляющих при одном ПВО от границы раздела световод- воздух для a cq, . Таккак( (Зц 5ш -бц.где бщ ,5цг скачек фазы II составляющих для a 05 ипо пж, a O| и п0 пв соответственно; 5ji, -скачек фазы 1 составляющих для a ai, и п0 Пж.а CQ, и По пв соответственно, то решив транс55

цендентное уравнение

Изобретение позволяет расширить функциональные возможности и повысить точность измерения уровня жидкости, Сущность изобретения: при сканировании дефлектором 2 внутреннего пространства световода 4 изменяются параметры поляризованного излучения, распространяющегося по световоду 4, которые определяются измерителем параметров Стокса 5, с выходов которого сигналы через ключи 6 и аналого-цифровой преобразователь 7 поступают на вычислительное устройство 8, которое по заданному алгоритму вычисляет значение уровня жидкбсти, а тгкже определяет угол, под которым излучение от источника 1 через дефлектор 2 вводится в световод 4. 2 ил.

где (5fi - скачок фазы II составляющей при ПВО от границы световод-воздух;

A 51|aS2erctg SS3SE.

(-Е-Г cosa

-2ara9-Vsl ;g -( +

COS (A

+2arctg- ssHS2: cos a

- 2 arctg

Vsln2«i-(-): (-)2cos

П1

относительно лж получим .значение показателя преломления контролируемой жидкости. После этого определяется максимальный возможный набег фаз Апах между составляющими исходя из того, что весь участок световода, выше точки в которой произошло отражение от границы световод-жидкость, величиной dtg a может контактировать с жидкостью, Лпах определяется для угла, соответствующего рабочему углу, ар выбирается из условия:

Пж

arcsln+ где a g - минимальный шаг

изменения угла отклонения излучения дефлектора.

Значение/Дтах определяется из выражения

где Adi д - 5| для угла Ор.

Если Лпах 2 л, то излучение вводится в световод под углом Ор. Значение уровня жидкости определяется в этом случае следующим образом. По измеренным значениям параметров Стокса определяется значение общего набега разности фаз Ддля данного значения уровня жидкости в пределах угла О - 2 я. Кроме того, расстояние от точки в которой имело место ПВО излучения от границы световод-жидкость до выходного торца световода при угле ввода излучения сц (при аи отражений от границы световода с жидкостью не было) составляет hi dtg CQ

Набег разности фаз на этом участке определяется по формуле (16). Если значение Д определенное по измеренным значениям параметров Стокса меньше значения разности фаз на участке вычисленного по формуле (16). то значение уровня жидкости определяется по формуле

A + 2(k + 1 )я

dtg Op

где k - количество набегов разности фаз по 2 (в данном случае k 0).

В противном случае

. . A+2krc

h L;

dtgap

Если Дтах 2 я, то излучение вводится в 5 световод под углом, для которого расстояние между точкой, в которой имело место ПВО от границы световод-жидкость (т.А см. фиг.2) и соседней (т. В см. фиг.2), в которой имело место ПВО от границы световод-воз10 дух, делится пополам точкой (т.С см. фиг.2), в которой происходит ПВО (излучения, распространяющегося под углом О| + i).

Далее производится измерение параметров Стокса и по ним в ВУ определяется

15 значение набега разности фаз Д| + 1 между составляющими при отражении от границы световод-жидкость по отношению к отражениям световод-воздух при угле распространения а + 1. Значение Д) +1 определяется в

20 угле 0 - 2 я. Затем вычисляются значения набега разности фаз Д i + 1 (в пределах 0- 2я) при угле распространения излучения а +1 для уровней жидкости hi и ha (см, фиг.2) выше и ниже точки С. В этих случаях коли25 чество отражений излучения от границы световод-жидкость различается на единицу. Поэтому значения А +1 для уровней жидкости hi и ha определяются соответственно из выражений

30

А +1 (h)hi

d tgai-м

(с5ви+1

-Й1.. + 1 )

An-l(ha)(

h,

d tg a +1

+ 1)-(5Vi + i .1 + 1 )

Значения AI-M (hi)n An-1 (ha) представляются в виде

Д| + 1(И- 5(hi) + 2k(hi)tt ,

Ai + i(h2)5(h2) + 2k (ha) я, гдеО 5(hi) 2тг

О (5 (ha) 2 n

k(hi), k(ha) - количество набегов разности фаз между составляющими по 2 я.

Далее значение AI + 1 сравнивается со значением A i + 1 (ha) в пределах угла 0 - 2 я. Если будет выполняться равенство Д| + 1 Д i + i(hi), то следовательно поверхность жидкости находится между точками А и С (см. фиг.2), если Д| + i Дц-1 (hi), то поверхность жидкости находится между точками С и В. Далее снова определяется значение Дтах на участке (АС) (СВ) для угла распро- странения излучения ар. Если Дтах 2 я, то значение уровня жидкости определяется следующим образом. Излучение вводится в световод под углом «р и по измеренным параметрам Стокса определяется значение набега разности фаз Л для данного значения уровня жидкости в пределах угла 0 - 2 ж. Кроме того, расстояние от точки, в которой имело место последнее ПВО излучения от 5 границы световод-жидкость для последнего угла ввода излучения (в данном случае а -ц) до выходного торца световода составляет

10

dtga. + i

с5ви + 1 -(.i+i

Набег разности фаз на этом участке со- ставляет

д AI + I tgai+1 (5Bi.p -б.р ) (5ви+1 -(5,|+1 )tgap

где индексы р и 1 + 1 обозначают рабочий и последний из углов ввода излучения в световод. Если значение А в пределах угла 0-2 определенное по измеренным значениям параметров Стокса меньше значения Ар в пределах 0-2л:, то значение уровня жидкости определяется по формуле

. . Д + 2(кР+1)я

П Lг4-с1-

dtig«p

где kp - количество набегов разности фаз между составляющими по 2 л на участке контакта световода с жидкостью длиной

Ai+1 dtgai+i при распространении

5ви+1 -б i.i + i излучения под углом #р В противном случае

h LА + 2 kp л dtgap

Если A max 2 п, то повторяются действия предыдущего цикла до тех пор пока не будет выполняться неравенство A max S 2 п. Однако, расчеты проведенные для реальных значений показателей преломления световода и жидкостей, диапазона измерения уровня показывают, что достаточно двух циклов с определением A max, если же i 2, то достаточно и одного цикла определения A max. После выхода на рабочий режим измерения уровня жидкости (угол распространения излучения ар)А- в пределах угла 0-2 п . При возрастании уровня жидкости значение набега разности фаз может превышать 2 л. Следовательно, возможно неоднозначное толкование результатов измерения. Для устранения неоднозначно

. 5 10

20

„ 30

сти используется специальный алгоритм обработки результатов измерения параметров Стокса, который позволяет зарегистрировать и учесть все переходы через 2 я и через 0. Переход через 2 л регистрируется следующим образом: если A; Aj - 1 ,где

AJ - текущее значение набега разности фаз в угле 0-2 л;

A j - 1 - предыдущее значение набега разности фаз в угле 0-2 л, то уровень жидкости увеличивается, или при уменьшении уровня жидкости произошел переход набега разности фаз через 2 л. Таким образом, если -i и

3 л (Aj -1- ) - A j 0, то произошел

переход набега разности фаз через 2 ли число таких переходов (kp из формул 17 и 18) увеличилось на единицу. .Увеличение числа переходов через 0 на единицу означает уменьшение числа переходов через 2 тгна единицу.

Переход через 0 регистрируется следующим образом:

если Д), то уровень жидкости уменьшается или при увеличении уровня жидкости произошел переход набега разности фаз через 0. Если, кроме предыдущего условия выполняется и условие

О -rf

(Aj)-Aj.., о, то произошел переход набега разности фаз через 0 и следова- тельно значение kp уменьшилось на единицу.

Таким образом уровень жидкости определяется по общей формуле:

50

55

40

h LA + 2k7T d tgOp

где L - длина световода

Л- значение набега разности фаз между составляющими в угле 0-2 л

k - количество набегов разности фаз между составляющими по 2;

d - толщина световода;

а-угол между перпендикуляром к границе световод-окружающая среда и направ- лением падающего луча (угол ввода излучения).

Значение уровня жидкости выводится для визуального наблюдения. При этом ВУ управляет включением электронных ключей (замыкает их) и на ВУ поступает новая информация об уровне жидкости. Периодически, с целью учета влияния показателя преломления жидкости на показания измерительного устройства, процесс измерения

уровня начинается с ввода излучения в световод под углом а и с выходом на рабочий режим в соответствии с приведенным выше алгоритмом работы уровнемера. Формула изобретения Оптический уровнемер, содержащий источник оптического излучения, поляризатор, световодную пластину, измеритель параметров Стокса, блок электронных ключей, аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство, при этом источник оптического излучения оптически связан с входом поляризатора, выход которого оптически связан с верхним торцом пластины, нижний торец которой оптически связан с входом измерителя параметров Стокса, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответствен

С

k,

А

но к первому, второму, третьему и четвертому входам 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 вычислительного устройства, отли-чающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены дефлектор и блок управления углом отклонения дефлектора, при этом источник излучения связан с поляризатором

через дефлектор, вход блока управления углом отклонения дефлектора подключен к выходу вычислительного устройства, а выход - к входу дефлектора.

ЫА-ЦЮ

В