Волоконно-оптический уровнемер
Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для непрерывного контроля уровня жидкости. Цель изобретения - повышение надежности работы устройства . С этой целью в волоконно-оптическим уровнемере, содержащем последовательно соединенные источник излучения 1, волоконно-оптическую линию 2 передачи информации, чувствительный элемент 3 и приемник излучения 4, волоконный световод чувствительного элемента 3 выполнен с изме (Л
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ1(РЕСПУБЛИН
Ai (19) (10 (5ц 4 G 01 F 23/22
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ
1Ь(1,, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ" ::
1 7
К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3894667/24-10 (22) 12.05,85 (46) 30.12.86. Бюл. В 48 (71) Алма-Атинский энергетический институт (72) Э.Н.Белоцерковский (53) 681. 128. 8(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР
У 509783, кл. G 01 F 23/22, 1976.
Патент CPI В 3144541, кл. G 01 F 23/04, 1983.
Авторское свидетельство СССР
У 1108333, кл. G 01 F 23/22, 1980. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для непрерывного контроля уровня жидкости. Цель изобретения — повьипение надежности работы устройства. С этой целью в волоконно-оптическом уровнемере, содержащем последовательно соединенные источник излучения 1, волоконно-оптическую линию
2 передачи информации, чувствительный элемент 3 и приемник излучения
4, волоконный световод чувствительного элемента 3 выполнен с изме1280329
П2 (3) n(x) «и к»
n(x) (4) n S sin ° U = const, 1
sinU= ——
О. и
< (5) няющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала. Значение показателя преломления уменьшается снизу вверх в соответствии с определенными соотношениями. При наличии в резервуаре жидкости для части светового излучения от источника нарушится условие полного внутреннего отражейия на границе световод—
Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для непрерывного контроля уровня жидкостей в резервуарах.
Целью изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности устройства.
На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого уровнемера; на фиг.2 — характер изменения 10 значения показателя преломления вдоль чувствительного элемента; на фиг.3 — функция преобразования уровнемера при контроле уровня различных жидкостей. 15
В предлагаемом устройстве используется явление увеличения угла конуса распространения лучей в световоде с уменьшающимся вдоль оптической оси показателем преломления, а также зависимости числа лучей (а, соответственно, интенсивности) от показателя преломления контролируемой жидкости и ее уровня.
В световоде с постоянным сечением
S инварианта Штраубеля записывается следующим образом: где S. — сечение световода;
30 п — показатель преломления;
U — угол распространения луча с оптической осью световода.
Пусть в начале чувствительного элемента показатель преломления равен n(0)= 35
= n, а угол распространения — U
Следовательно, согласно выражения (1) на расстоянии х от начала чувствительного элемента для произведения и (х) ° sin U(x) можно„записать 40
n(x) sin U(x) = п< ° sin U (2) жидкость, что приведет к изменению интенсивности светового потока, приходящего к приемнику 4. Благодаря изменяющемуся вдоль оптической оси показателю преломления материала световода угол конуса световых лучей по мере их движения вдоль чувствительного элемента монотонно возрастает. 3 ил.
2 где п(х) — показатель преломления в точке х чувствительного элемента;
U(x) — угол распространения луча с оптической осью в точке х.
Определим, в какой точке х чувствительного элемента, луч вошедший в него под углом с оптической осью
U, покинет чувствительный элемент из-за нарушения условия полного внутреннего отражения. Синус угла падения на границу раздела световод— ср sin«<<, = cos U(x) п2
С другой стороны sino =
n(x) где n — показатель преломления окружающей среды.
Следовательно
Подставим значение sin U(x) из выражения (2) Выразим из выражения (4) sin U/
Анализ выражения (5) показывает, что с увеличением расстояния х от начала чувствительного элемента, т,е. с уменьшением п(х), так как п(х) уменьшается снизу вверх с увеличением х, уменьшается sin U (х), определяющий конус световых лучей на входе в чувствительный элемент, для которых выполняется условие полного внутреннего отражения.
1280329 4 (и — лп)г = п2 — bn L.
ТаК как n(>7 ьп (порядка в 20-50 раз), то (и, — n) n — 2n, пп. С учетом этого, для выражения (12) имеем
n,— 2п,ьп = п — bn Откуда постоянная Ь имеет следующее значение ° (12) Изменение интенсивности распространяющегося потока 1 пропорционально изменению sin U (x), величина которо2 го определяет конус световых лучей, на входе для которых выполняется условие полного внутреннего отражения. Следовательно I(x) = К sin U (х), (б) где К вЂ” коэффициент пропорциональ- 10 ности Чувствительность устройства S ondI(x) ределяется из соотношения S dx С целью линеаризации функции преобра- 15 зования требуется, чтобы 2ьп 1 Ь п1 L выражением Ь п, L (15) так как с увеличением х происходит 20 уменьшение Т(х). С учетом выражения (5) и (6) выражение для S можно записать следующим образом: или (16) п(х) = n, При выполнении чувствительного элемента с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления, определяемом выражением (16), интенсивность светового излучения по мере 30 движения лучей вдоль чувствительного элемента уменьшается равномерно, что обеспечивает линейную функцию преобразователя устройства и постоянную чувствительность по всему диапазону измерения. < 2 — — n (х) п dx (9) 35 dn (x) = -bn, dx, ю6 где Ь = †- = const. sin П (х)= 1 .I (17) 40 При х = 0 имеем При x = L имеем Определим постоянные коэффициенты 45 с и Ь из граничных условий следующим образом. При х = On(0) = n, (значению показателя преломления в нижней точке чувствительного элемента). С учетом выражения (10) для постоянной 50 с имеем с = n (11) При x = L верхняя точка чувствительного элемента n(L) = n, — ьп, где ди†общее изменение показателя преломления чувствительного элемента ° Подставим значение n(L) в выражение (10) S = — — -- = const = -с6 dI (x) (7) 8 = — --- = К вЂ” - (sin U (x) ) dI(x) d . 2 dx dx =K — - — —,(n Ы Й 1 2 2 dx1п, 2 ) Выражение (8) можно представить в виде В результате интегрирования выражения (9) имеет n (х) = с — bn x, (10) где. с — постоянная интегрирования. Таким образом, с учетом выражений (11) и (14) изменение показателя преломления вдоль оптической оси х чувствительного элемента определяется Подставим выражение (16) в (5) sin U (0) = — у n,— n . (18) 26п з п U (L) = — — n (1- — -) — и и и (19) Выражение (19) показывает лучи, углами распространения которых на выходе чувствительного элемента пройдут через световод чувствительного элемента без потерь, т.е. все лучи, углы распространения которых на входе U c U (L) пройдут световод чувствительного элемента без потерь. Видно, что sin U (L) определяется как параметрами самого чувствительного эле5 12803 мента (n„, Ь и), так и параметрами окружающей среды (и ). Если окружающая среда воздух с пг = 1, то выражение (19) примет слЕдующий вид: 5 в sin U (2) (2» В дальнейшем будем рассматривать только те лучи, которые на воздухе ,проходят чувствительный элемент без потерь, так как именно эти лучи (и изменение их количества) несут инфор мацию об изменении уровня жидкости. ! Если окружающая чувствительный элемент среда имеет показатель преломления пг> 1, то интенсивность светового потока 1, прошедшего чувствительный канал без потерь, определяется выражением 30 2ап п, (1 — — — ) — 1 и, (26) (22) Изменение уровня жидкости I приводит к тому, что в большинстве случаев чув- ствительный элемент бывает частично погружен в жидкость. В этом случае величину и надо заменить на некото1 рый эффективный показатель преломления и, „ который учитывает показатель 40 преломления контролируемой жидкости и ее уровень, Так как сечение световода чувствительного элемента есть величина, то для n !1) можно записать соотношение 4 2hn.п (1 — — -)>и! и! (27) г и! и,.!, Ьп i — — (1 — — -) 2 пг 1 (28) 5 Выражение (26) является математической моделью предлагаемого устройства. Анализируя выражение (26), можно сделать вывод, что с увеличением уровня жидкости f относительный о сигнал на выходе чувствительного эле-. мента уменьшается, так как уменьшается числитель выражения. Схема устройства (фиг.1) состоит из источника излучения 1, волоконно55 оптической линии 2 передачи информации, чувствительного элемента 3, выполненного из световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления,приемника излучения 4.Чувст(n — n ) — -+п. 1 )н а в ° ()23) где и.,„— Так как (24) Соответственно интенсивность светового потока, прошедшего чувствительный элемент без потерь, на нарушение условия полного внутреннего отражения определяется согласно выражению (6) выражением К (1 2hn — пг(1 - — -) - 1 о и п К г 2Ьп г I = n (1 — — -) — п и! и! г n =n 2+n (L.†.P) 1 в!р<р к а уровень жидкости;. показатель преломления жидкости показатель преломления воздуха. n = 1, то n = (n — » — -+1 spy> L 29 6 При E = On = 1 что соответствует Qq!p У нахождению чувствительного элемента на воздухе, при 6 = Ьп = и, что соответствует полностью погруженному в жидкость чувствительному элементу. С учетом выражений (22) и (24) интенсивность света, прошедшего частично погруженный в жидкость с п,!, чувствительный элемент, можно определить выражением I(<) = —, n (1 — — )-((n -»-+ 1) > 2ьп E 11 n2 (пу Ь (25) где 2 — уровень жидкости или протяженность прогруженного в жидкость участка чувствительного элемента. Соответственно, относительное (к сигналу на воздухе I ) изменение сигО нала (интенсивности светового потока) на выходе чувствительного элемента определяется соотношением 2вп г ) (g) п и (! — — -) — (и — !) 2/L + 1) При полностью погруженном в жидкость чувствительном элементе сигнал на выходе чувствительного элемента должен быть отличным от О, иначе чувствительность в верхней точке диапазона измерения будет очень малой. Это значит, что при l = L числитель выражения (26) должен быть больше О Выражая из этого неравенства 4 и, получим 7 12803 вительный элемент 3 закреплен в корпусе 5 и помещен в резервуар 6, в котором происходит контролируемое изменение уровня жидкости. Выносными линиями АА обозначены границы чувствительного эЛемента длиной L, Стрелками с цифрами показаны соответствующие значения показателя преломления чувствительного элемента в точках с х = 0 О, 25L 0,5L; 0,75L; 1,0L. Устройство работает следующим образом. Световое излучение от источника 1 .посредством волоконно-оптической ли- 15 нии 2 передачи информации подводится к чувствительному элементу 3 с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления. Пройдя чувствительный элемент 3, световое излуче- 2р ние посредством волоконно †оптической линии передачи информации попадает на приемник излучения 4, сигнал которого контролируется измерительными приборами. 25 В отсутствие жидкости сигнал на выходе чувствительного элемента определяется только теми лучами, для которых по всей длине чувствительного элемента 3 выполняется условие 3р полного внутреннего отражения (выра— жение (21)). Число лучей, прошедших чувствительный элемент, постоянно, соответственно постоянна и интенсивность светового потока I (21), падающего на приемник излучения. При появлении жидкости с показателем преломления и > 1, для части лучей нарушается условие полного внутреннего отражения на границе све- 4р товод — жидкость и они покидают чув ствительный элемент и выходят в жидкость. Соответственно изменяется интенсивность светового потока, падающего на приемник излучение, что фик- 45 сируется измерительными приборами. Так как чувствительный элемент выполнен с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления, причем уменьшение преломления проис- 50 ходит снизу вверх, то угол конуса световых лучей по мере их движения вдоль чувствительного элемента монотонно возрастает. Следовательно, для каждого участкачувствительного эле- 55 мента имеются световые лучи,для которых при погружении этого участка чувствительного элемента нарушается условие 29 Я полного внутреннего отражения. Поэтому при увеличении уровня жидкости Я световые лучи покидают чувствительный элемент постепенно, по мере нарушения для них условия полного внутреннего отражения на границе чувстви— тельный элемент — жидкость. Соответственно происходит уменьшение интенсивности светового потока, падающего на приемник излучения, что фиксируется измерительными приборами. При уменьшении уровня жидкости число лучей, прошедших чувствительный элемент, возрастает, что приводит к увеличению интенсивности светового потока, падающего на приемник излучения что также фиксируется.измерительными приборами. На фиг.2 цифрой 7 показан характер изменения показателя преломления вдоль чувствительного элемента. Цифрой 8 для сравнения показана линейная зависимость. На фиг.3 показаны зависимости относительного изменения тока фотодиода от относительного изменения уровня жидкости I/I = f (Х/? ) HJIH функ ция преобразования устройства; цифрой 9 показана зависимость для воды (п = 1,33), цифрой 10 — для ацетона (п, = 1,36), цифрой 11 — для бензина (n = 1,38). Анализ зависимостей, изображенных на фиг.3, показывает, что при контролировании уровня бензина функция преобразования линейна, а для воды и ацетона она близка к линейной . Формула и з о б р е т е н и я 1. Волоконно-оптический уровнемер, содержащий последовательно соединенные источник излучения, волоконнооптическую линию передачи, чувствительный элемент, выполненный в виде световода, и приемник излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы устройства, чувствительный элемент . выполнен в виде прямолинейного воло сонно-оптического световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала световода. 2. Уровнемер по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что изменение показателя преломления материала све1280329 товода выполнено снизу вверх в соответствии с соотношениями Г 2 п х n(x) = n 1 и и„ 5 6n i — -(1 — - — ") 2 п где n — значение показателя преломле1 ния на отметке нижнего контролируемого уровня жидкости; /7(Х ur O7m 10 юг.2 01 f72 Од 09 0,5 б 07 ОР РУ 10 Фа 3 Составитель Е.Подымов Редактор Т.Парфенова Техред И.Попович Корректор C.öåðíè Заказ 7048/40 Тираж 705 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãoðoä, ул.Проектная, 4 1Ф 1 05 1ljq 1,О 1ф 14 (1 Io ,п gg ое 07 Рб 0// 03 gi2 Р,1 10 общее изменение показателя преломления по длине чувствительного элемента; длина чувствительного элемента; ось координат, совпадающая с оптической осью световода; показатель преломления контролируемой жидкости.
