Волоконно-оптический датчик уровня

 

ВОЛОКОННО-ШТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УРОВНЯ, содержащий последовательно расположенные источник излучения, передающее оптическое волокно, приемное оптическое волокно и приемник излучения, в котором передавшее и приемное волокна соедииеяы с первичньм преобразователем, выполненным в виде световода из оптически прозрачного материала, отличающийся тем, что, с целью повышеIния чувствительности датчика, по верхность первичного преобразователя. I й I обращенная в сторону измеряемых сред и ограниченная апертурами волокон, выполнена в виде двух зеркально симметричных частей, каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их торцов, причем центры спиралей совмещены с центрам торцов волокон, расстояние t между которыми определяется соотношением 6 ехр

СОЮЗ С08ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (! () 4(5() С 01 F 23/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

А0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ А(»Г»У»„»ВЕ».,-: «ЛТ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ::

И АВТСЕСИСИУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4Sin а ехр(0,59 tgc) при 4 > 2

2 = 4К - й, Sin (>

1 (21) 3546239/24-10 (22) 02.02.83 (46) 15.04.85. Бюл. Ô 14 (72) В.А.Свирид, Н.Ф.Богомолов, С.НВХотяинцев и Л.К.Яровой (71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (53) 681.128.65 (085.8) (56) 1.Пагент США В 3120125, кл. 73-293, опублик. 1964.

2.Абуаф Н., Джонс О.С. мл.,Цнм";.; мер Д.А. Оптический зонд для локальных измерений доли пустот и скорости меж@азных границ. — "Приборы .для научнык исследований", 1978, В 8, с. 70-75 (прототип). (54) (57) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

УРОВНЯ, содержащий последовательно расположенные источник излучения, передающее оптическое волокно, приемное оптическое волокно и приемник излучения, в котором передающее и приемное волокна соединены с нервичньа(преобразователем, выполненным в виде световода из оптически прозрачного материала, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повыше,ния чувствительности датчика, поверхность первичного преобразователя, обращенная в сторону измеряемых сред и ограниченная апертурами волокон, выполнена в виде двух зеркально симметричных частей,. каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их .торцов, причем центры спиралей совмещены с центрамю торцов волокон, расстояние 1 между которыми определяется соотношением угол 2 между осями волокон - соотношением а угол о падения луча, исходящего из центра торца передающего волокна,.на поверхность первичного преобразователя — соотношением где Й - диаметр световедущей милы передающего волокна, и п — показатели преломления со(Э ответственно материала пер-. вичного преобразователя и измеряемой среды с меньшим показателем преломления.

1150488 2

Р = К Sin ос ехр(0,5 í tga) при Д > 24) (2) 2 ) = 4 р(— 7i) Sin ê ) п1 (3) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня или оптической плот" ности сред путем использования в составе дискретных уровнемеров и 5 рефрактометров.

Известно устройство для измерения уровня жидкости, содержащее источник излучения, передающий световод, призму полного внутреннего отражения, 10 приемный световод и приемник излучения (11 .

Наиболее близким к предлагаемому . по технической сущности является волоконно-оптический датчик уровня, содержащий последовательно расположенные источник излучения, передающее оптическое волокно, первичный преобразователь, приемное оптическое волокно и приемник излучения; первичныйрО преобразователь выполнен в виде плоских- торцов передающего и приемо ного волокон, скошенных под углом 90 друг к другу (2) .

В известных датчиках иэ передаю- 25 щего волокна на обращенную в сторону измеряемых сред плоскую поверхность первичного преобразователя падает расходящийся пучок света, что снижает чувствительность датчика — минимальный регистрируемый дискрет оптических плотностей этих сред.

Цель изобретения - повышение чувствительности. 35

Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике уровня, содержащем последовательно расположенные источник излучения, передающее оптическое волокно,4о приемное оптическое волокно и приемник излучения, в котором передающее и приемное волокна соединены с первичным преобразователем, выполненным в виде световода из оптически прозрачного материала, поверхность первичного преобразователя, обращенная в сторону измеряемых сред и ограниченная апертурами волокон, выполнена из двух зеркально симметричных частей56 каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их торцов, при этом центры спиралей . совмещены w центрами торцов волокон, расстояние 1 между которыми определяется соотношением угол 2 )между осями волокон — соотношением а- угол К падения луча, исходящего из центра торца передающего волокна, на поверхность первичного преобразователя — соотношением где d — диаметр световедущей жилы передающего волокна, n, n — показатели преломления соответственно материала первичного преобразователя и измеряемой среды с меньшим показателем преломления.

На фиг. 1 приведена схема датчика; на фиг. 2 — ход лучей в первичном преобразователе; на фиг. 3 графические зависимости усредненного коэффициента отражения от показателя преломления внешней среды для прототипа предлагаемого датчика °

Волоконно-оптический датчик уровня содержит источник 1 излучения, например полупроводниковый излучающий диод, оптически соединенный с передающим оптическим волокном 2, который в свою очередь соединен посредством первичного преобразователя 3 с приемным оптическим волокном 4. Первичный преобразователь выполнен из оптически прозрачного материала, например кварца. Его поверхность, обращенная в сторону измеряемых сред, состоит из двух зеркально симметричных частей, -каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси 001, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их торцов (фиг. 2). Центры спиралей совпадают с центрами торцов соответствующих волокон, расстояние и угол

2 9 между которыми определяются соответственно соотношениями (1) и (2), а угол падения луча, исходящего из центра торца передающего волокна, на поверхность первичного преобразо-, вателя выбирается из соотношения (3).

Достаточно, чтобы поверхность первичного преобразователя имела

1150488 (4) В=0,5 (n совк(п,сов + а) (s} а п,) (n,соэс (и, co@ сс+

3 предложенную форму только в областях, ограниченных апертурами 29 передающего и приемного волокон.

Приемное волокно 4 оптически соединено с приемником 5 .излучения, например фотодиодом.

Устройство работает следующим образом.

Излучение источника 1 направляется передакяцим волокном 2 к первично- ц> му преобразователю 3. Поток излучения I из выходного торца передающего волокна 2 падает на первую часть рабочей поверхности первичного преобразователя 3. Форма рабочей поверхности первичного преобразователя 3 в любом сечении, проходящем через ось, соединяющую центры торцов волокон 2 и 4, имеет вид логарифмической спирали, уравнение которой в .полярной системе координат с центром в точке 0 и осью Х имеет вид

О, 25 А exp((f tpoC) . В этом случае лучи из волокна 2 падают на первую часть поверхности первичного преобразователя 3 под одним и тем же углом с(. Отраженное от первой части излучение падает на вторую часть рабочей поверхности также под углом 4 и, отражаясь от нее, фокусируется на торце приемного волокна 4.

Как видно из фиг. 2, необходимым условием фокусирования излучения на торце приемного волокна 4 является симметрия первичного преобраэовате35 ля 3 относительно плоскости, проходящей через точку k пересечения крайних лучей ОВ1 и ОВ апертуры и перпендикулярной оси 00 . Это условие с точностью до 1Х обеспечивается 40 при значениях 5 и 2 р, определяемых соотношениями (1) и (2), справедливых при малых значениях угла

О (6 g 120).

Поток получения Т, поступающий в приемное волокно, равен где коэффициент отражения К определяется формулой Френеля где п и n — ноказатели преломлв1 2 ния материала первичного преобразователя . и внешней среды.

Иэ выражений (4) и (5) следует, что при изменении показателя преломления внешней среды (напримвр, при погружении датчика в жидкость) изменяется и величина регистрируемого приемником 5 излучения сигнала.

Угол с4 выбирается из соотношения, (3), при котором для внешней среды с меньшим показателем нреломлвиия п (например, воздуха) выполняется условие полного внутреннего отражения.

На фиг. 3 приведены графики зависимостей коэффициента отражения R от показателя преломления внешней среды и> для предлагаемого датчика (кривая 1) и для прототипа (кривая 2), построенные для случая и 1 47

М =- 45; 8 = 10

Изобретение повышает чувствитель" ность волоконно-оптического датчика к минимально регистрируемому дискрету оптических плотностей измеряемых сред.

1150488

Jez

gggggg Заказ. 2131/31 Ти аа 703, ла

Оапаап ППП 33втепт, г.узгород, улЯроектиал, 4