Оптический уровнемер Советский патент 1993 года по МПК G01F23/22 

40

1СО

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких сред.

Известен оптико-электронный дискретный оптический уровнемер, содержащий источник света, фотоприемник и световод,: установленный на пути отраженного от жидкости луча. Недостатками .устройства являются Индикации одного или нескольких уро.вней жидкости, что ограничивает его областьприменения; ai также зависимость результатов измерения от незначительных флуктуации поверхности,

И.звёсте также указатель уровня жидкости в резервуаре, содержащий источник света, фотоприе мнйк и прозрачный стер- .жёнь, погруженный в жидкость. Недостатком-; устройства звляется индикация одного и#и нескольких уровней жидкости, что ограничивает, область применения, поскольку невозможно измерение уровйя жидкости в широком диапазоне с -малым шагом диск- ;рётно гги. . ;, - / / ; . .;,,;.- ;,.. Наиболее близким к предлагаемому устройству контроля уровня является устройство, содержащее источник оптического Излучения, фотоприемннк, световодную пластину изрптичееки прозрачного матери- .ала, свет распространяется по световоду благодаря полным внутренним отражениям (ПВО). Излучение выходит из пластины в точках контакта с жидкостью, показатель преломления которой ниже показателя преломления световода, Если световод окружен воздухом, то весь свет от источника достигает фотоприемника. Однако данное .устройство, имеет, малый диапазон измерения поскольку при нарушении условия ПВО .коэффициент отражения излучения существенно меньше 1, т.е. при каждом отражении, световодной пластине значительно уменьшается, в результате чего оптическая энер- тия в ней практически полностью затухает после нескольких отражений. Кроме того, область применения прототипа ограничена, поскольку измерение уров ня жидкости с показателем преломления (ПП) превышающим ПП световодной пластины практически невозможно, что оговорено в описании прототипа.

Цель изобретения--расширение диапазона измерения уровня жидкости и расширение диапазона контролируемых жидкостей (области применения).

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее источник оптиче- .Ского излучения, световодную пластину, фо- топри мник дополнительно введены блок .ввода излучения, блок вывода излучения, а световодная пластина выполнена в виде

многослойного световода. ПП нечетных слоев больше ПП четных слоев (при отсчете от 1 слоя, контактирующего с контролируемой жидкостью), толщина четных слоев меньше

длины волны распрОстоанлющегося излуче- .нйя, Существенным отличием данного изо-, бретения является то. что осуществляется непрерывное пополнение потерь оптического излучения вдоль всей световодной

пластины за счет туннелирования оптической энергии через четные слои многослойного световода (МС). Отличительным признаком заявляемого решения от прототипа является использование многослой5 ного световода в качестве чувствительного элемента уровнемера. Реализация непрерывного пополнения потерь оптической мощности при нарушении условия ПВО и возможность измерения уровня жидкости в

0 широком диапазоне при ПП жидкости больше, чем у световодного чувствительного элемента ни в одном из существующих устройств измерения уровня жидкости не имеет места. На основе проделанного ана5 лиза можно сделать вывод о существенности отличий заявляемого устройства.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник излуче0 ния(ИИ) 1, выход которого оптически связан со входом блока ввода излучения (БВВ1/1) 2, выход которого оптически связан со входом многослойного световода (МС) 3, находящегося в сосуде с контролируемой жидкостью

5 4, выход МС оптически связан со входом блока вывода излучения (БВИ) 5, выход которого оптически связан со входом фото- приемника (ФП) 6.

Устройство работает следующим обра0 зом.

Электромагнитная волна оптического диапазона от ИИ через БВВ (например, объектив) вводится в МС, МС представляет со- . бой многослойную пластину из оптически

5 прозрачного материала, причем за счет различия показателей преломления (П1 Па; см. фиг.2) световодными свойствами обладают нечетные (отсчет введется от слоя граничащего с внешней средой По см.) слои.

0 Толщина четных слоев меньше длины волны распространяющегося излучения для обеспечения туннелирования излучения через четные слои. При отсутствии жидкости в сосуде 4 излучение распространяясь по

5 нечетным слоям МС благодаря ПВО достигает БВИ (в качестве которого может быть использован фокусирующий объектив) посредством которого излучение направляется на ФП, который вырабатывает соответствующий сигнал пропорциональный

интенсивности прошедшего через МС излучения. Излучение в МС вводится под углами, для которых выполняется условие ПВО при отсутствии жидкости и нарушение условия ПВО в первом.нечетном слое МС, грайича- щим с внешней средой при наличии жидкости- Нарушение условия ПВО в первом нечетном слоем имеет место на том участке его границы, которая контактирует с контролируемой жидкостью. Излучение вводит- ся равномерно во все направляющие слои (нечетные слои). Поскольку нарушается условие ПВО в первом нечетном слое мощность оптического излучения в нем начинает уменьшаться пропорционально коэффициенту прохождения Т, который определяется в соответствии с формулами Френеля. Однако в этом случае нарушится равенство мощностей излучения в первом и втором нечетных слоях МС и, следователь- но, возникает процесс перераспределения оптической мощности между нечетными слоями. Этот процесс будет иметь место, поскольку толщина четных слоев МС мень- те длины волны распространяющегося в МС излучения, коэффициент прохождения излучения из одного нечетного слоя в другой определяется, как

K-1-R

где R - коэффициент отражения волны, падающей на границу раздела четного и нечетного слоев (причем четный слой граничит с другим нечетным слоем мощность излуче- ния в котором меньше, чем в том, в котором находится падающая волна).

Значение К может быть определено по формуле

i2b -be + 2 cos (friz -flzQ f 2 cos (#32 )

2b

-f e

ЯД Н fn32sin26b-n2

тде-и --дA- длина волны распространяющегося излучения;

Н - толщина четного слоя (фиг.2);

Пз - показатель преломления второго нечетного слоя (фиг.2);

Па - ПП первого четного слоя (фиг.2).

Значения рз2 и pi определяются из выражений:

Пзсоз вз -J fri 2 sin2 6Ь-Па2

где гз2 ------ , .

.nicos6b+jyni2sin2(9i-П22

Г21

-) Yn3 2 sjn2 вз - П2 2 - Hi sin Bi

J Yn3 2 sin ft - Л2 2 +.ni;slnft

где вз - угол падения оптического излучения во втором нечетном слое,

#1 - угол падение излучения в первом нечетном слое, .

Пт - ПП первого нечетного слоя.

Г32,Г21 - френелевские коэффициенты отражения на границе раздела слоев If Hi и U-I cooTseTctBeHHo.

Оптическое излучение из второго нечетного слоя будет проникать в перв.ый нечетный слой пополняя потери в нем. Вследствие этого нарушается равенство мощностей излучения во втором и третьем нечетном слое. Это вызовет перераспределение оптической энергии между третьим, вторым и первым нечетным слоями, направленные на компенсацию потерь вызванных нарушение условия ПВО в первом нечетном слое. Аналогичным образом в процесс перераспределения оптической энергии будут вовлечены все нечетные (направляющие) слои МС. Процесс перераспределения оптической мощности между нечетными слоями описывается системой дифференциальных уравнений первого порядка:

ЈfJL& - р, (х) Т + Р2 (х) К,2 - Pi (x)Ki2

dx

d Pi (x) dx

- P|.(x) «, - 1, i + P, - i (х) К. -1., + Pi + i (x) Kf. i + ; - Pi (x) Ki, i +.i

d PN (x) dx

- PN (x) KN -1, N + PN -1 (x) KN -1, N ,

где I - номер слоя, отсчет ведется от слоя граничащего с контролируемой средой (), ,- гЛ;:. . .

Км-и - коэффициент прохождения из 1+1-ого, нечетного слоя в 1-тый,

х - расстояние вдоль МС, на котором нарушено условие ПВО, . Pi(x) - оптическая мощность локализованная в t-том слое,

Формул а изобретения Оптический уровнемер; содержащий источник оптического излучения, фотоприем :Ник:исвёт013одную пластину мз оптически профачног о материала, о т л и ч а ючц и и - ЬатеМгЧТО; с цел;ьюрасщирения диапазона измерения и области применения, в йёго введены блок ввода излучения, световодная пластина вцполнена в; виде многослойного

Т - коэффициент прохождения из первого нечётного слоя в контролируемую жидкость при нарушении условия ПВО. .

Диапазон измерения уровня жидкости у прототипа и у заявляемого решения определяется количеством отражений, которое претерпевает излучение в световоде до уровня затухания еще позволяющего детектировать сигнал.

0

световода, Ё котором показатели преломления Нечетных слоев больше показателей преломления четных слоев, а толщина четных слоев меньше длины волны источнике оптического излучения, через блок ввода излучения оптически связанного с многослойным световодом, который через блок вывода излучения оптически связан с фото- приемником/