ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР ДЛЯ ЖИДКИХ СРЕД Советский патент 2006 года по МПК G01F23/22 

Изобретение относится к области приборостроения, а более конкретно - к области создания уровнемеров и сигнализаторов уровня и может быть использовано при создании уровнемеров для криогенных жидкостей, например, для жидкого водорода.

Известны схемы оптических уровнемеров и индикаторов уровня с применением волоконно-оптических жгутов (см., например, кл. G 01 f 23 авт. св. №№220550, 429254, 523295, патент США №3120125 кл. 73-293, 1964 г.).

Наиболее близким по технической сущности прототипом является дискретный уровнемер по авт. св. №523295 за 1976 г.

Этот уровнемер имеет излучающий и приемный волоконно-оптические световоды, причем приемный световод связан с измерительной системой. Связь между излучающим и приемным световодами осуществляется лучом света, преломленным на границе раздела жидкость-газ. С целью расширения диапазона применения и для перекрытия любого интервала измерения уровня излучающий и приемный световоды выполнены разделенными на ряды оптических волокон, взаимно строго ориентированных в пространстве бака.

Схема обладает несколькими существенными недостатками, одним из которых является невозможность использования уровнемера на жидкости, отличающейся по величине показателя преломления от жидкости, на которую настроена оптическая схема уровнемера. На практике этот недостаток не позволяет осуществлять тарировку бака с уровнемером по авт. св. №523295 на модельных жидкостях.

Вторым недостатком является зависимость показаний уровнемера от наличия даже мелкомасштабных возмущений поверхности жидкости в баке. Действительно, при измерениях с малой степенью дискретности уровня прозрачной оптически неплотной жидкости (с показателем преломления, близким к единице) приемные торцы оптических волокон приходится располагать максимально близко друг к другу, почти вплотную. Это неизбежно приводит к перекрытию двух и более приемных торцов колеблющимся световым лучом, преломляющимся на возмущенной поверхности жидкости.

Третьим недостатком следует назвать влияние на работу уровнемера дисперсных светорассеивающих взвесей, часто содержащихся в жидкостях.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а также расширение возможностей применения оптического уровнемера, как для дискретных, так и для непрерывных измерений уровня любых жидкостей.

Указанная цель достигается тем, что в известной схеме оптического уровнемера входной торец приемного световода расположен на границе раздела жидкой и газообразной сред, а углы падения лучей света от излучающего световода на непогруженную и погруженную части входного торца приемного световода удовлетворяют соотношению:

α<U_кр<β,

где α - угол падения лучей на непогруженную часть входного торца;

β - угол падения лучей на погруженную часть входного торца;

U_кр - критический угол падения, характеризующий на индикатрисе светопропускания волоконно-оптического световода границу резкого снижения коэффициента светопропускания, а так же применением приемного световода, имеющего торцы с регулярной укладкой оптических волокон.

При выборе определенного угла падения лучей на входной торец приемного световода количество света, проходящего через световод и измеряемое на выходном торце измерительной системой, становится функцией степени погружения входного торца в жидкость. Известно, что коэффициент светопропускания волоконно-оптического (и любого) световода является функцией угла падения лучей на входной торец и эта функция носит название индикатрисы светопропускания. На фиг.3 изображена типичная индикатриса светопропускания для стеклянного волоконно-оптического световода. Как видно из фиг.3, для углов падения лучей, превышающих некоторое значение U_кр, коэффициент светопропускания резко уменьшается, что объясняется возрастанием внутренних потерь света в световоде. Обеспечив угол падения лучей на непогруженную часть входного торца приемного световода меньше U_кр, а преломленных на поверхности жидкости лучей, падающих на погруженную часть торца - больше U_кр, можно измерять степень погружения входного торца в жидкость по изменению количества света, пропускаемого световодом.

На фиг.1 и 2 изображены оптические схемы двух вариантов уровнемера.

Световод 1, имеющий плоские торцы, одним из торцов полупогружен в жидкость и освещен лучами света от излучающего световода 2. Угол падения лучей на непогруженную часть торца приемного световода обеспечивается предварительным взаимным ориентированием торцов световодов 1 и 2. Очевидно, что погруженная в жидкость часть торца приемного световода получит лучи под углом β>α, что вызвано преломлением лучей на поверхности жидкости.

Из закона преломления для случая перпендикулярности поверхностей торца световода 1 и жидкости следует:

cosα=ncosβ;

β-α=γ₁-γ₂;

здесь n - показатель преломления жидкости;

γ₁ и γ₂ - соответственно угол падения света на поверхность жидкости и угол преломления.

Обеспечивая выбор угла α достаточно близким к U_кр, всегда можно обеспечить неравенство:

β>U_кр>α,

которое и является основным условием работоспособности предлагаемого уровнемера.

В случае применения в качестве приемного световода с регулярно уложенными торцами, погруженная в жидкость часть входного торца отображается на выходной торец сплошной темной зоной, резко контрастирующей со светящейся зоной, соответствующей непогруженной части входного торца. Измерительная система в этом случае может действовать как по принципу измерения количества света, пропускаемого световодом, так и непосредственно отображать положение и изменение уровня для визуального наблюдения, например, с помощью телевизионной системы.

Преимуществами предлагаемого уровнемера является простота конструкции, возможность применения на любых жидкостях, не разрушающих погружаемые торцы световодов, возможность непрерывных измерений уровня в пределах вертикального размера торца приемного световода, возможность дискретных измерений уровня несколькими парами световодов, расположенными на различных уровнях сосуда.

Для работы на ряде жидкостей, отличающихся показателями преломления, оптическая схема уровнемера должна быть настроена на жидкость с наименьшим показателем преломления, тогда работоспособность уровнемера на остальных жидкостях гарантируется. Очевидно, что на работу уровнемера не влияет степень прозрачности жидкости и наличие дисперсных светорассеивающих взвесей, если излучающий световод находится выше уровня жидкости.

Влияние мелкомасштабных возмущений поверхности жидкости в предлагаемом уровнемере минимизировано, поскольку длина свободного пробега преломленных лучей мала и определяется размерами торца приемного световода.

Применение предлагаемого уровнемера для измерения уровня, например, жидкого водорода в баках летательных аппаратов или в стендовых емкостях может дать экономию веса в первом случае и экономический эффект во втором.

Оптический уровнемер для жидких сред содержит источник светового излучения, соединенный с излучающим волоконно-оптическим световодом и приемный волоконно-оптический световод, связанный с измерительной системой. Входной торец приемного световода расположен на границе раздела жидкой и газообразной сред. Углы падения лучей света от излучающего световода на непогруженную и погруженную части входного торца приемного световода удовлетворяют соотношению: α<U_кр<β,

где α - угол падения лучей на непогруженную часть входного торца;

β - угол падения лучей на погруженную часть входного торца;

U_кр - критический угол падения, характеризующий на индикатрисе светопропускания волоконно-оптического световода границу резкого снижения коэффициента светопропускания. Кроме того, торцы приемного световода выполнены с регулярной укладкой оптических волокон. Технический результат - расширение диапазона применения для различных жидкостей, повышение надежности работы на любых жидкостях и обеспечение возможности визуального контроля уровня в пределах вертикального размера входного торца приемного световода. 1 н.п., 1 з.п., 3 ил.

1. Оптический уровнемер для жидких сред, содержащий источник светового излучения, соединенный с излучающим волоконно-оптическим световодом, и приемный волоконно-оптический световод, связанный с измерительной системой, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона применения для различных жидкостей и повышении надежности работы на любых жидкостях, входной торец приемного световода расположен на границе раздела жидкой и газообразной сред, а углы падения лучей света от излучающего световода на непогруженную и погруженную части входного торца приемного световода удовлетворяют соотношению: α<U_кр<β

где α - угол падения лучей на непогруженную часть входного торца;

β - угол падения лучей на погруженную часть входного торца;

U_кр - критический угол падения, характеризующий на индикатрисе светопропускания волоконно-оптического световода границу резкого снижения коэффициента светопропускания.