Оптический уровнемер

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости. Цель изобретения - повышение точности. При воздействии жидкости на поляризованное оптическое излучение, проходящее по прозрачной пластине 3, изменяется его поляризация, параметры которой определяются измерителем параметров Стокса 4, с выходов которого сигналы через ключи 5 и аналого-цифровой преобразователь 6 поступают на вычислительное устройство 7, которое по заданному алгоритму вычисляет значение уровня жидкости. Для оптического излучения в пластине выполняется условие полного внутреннего отражения как на границе с газом, так и на границе с жидкостью. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s G 01 F 23/28

ГОСУДАРСТВ Е ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И.ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0 бд

С (21) 4239332/24-10 (22) 04.05.87 (46) 15.12.90. Бюл. ¹ 46 (71) Винницкий политехнический институт (72) А.М.Бабченко, В.И.Бусурин, В.М.Дубовой и Р.В.Рева (53) 681.128.82 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1265485, кл. G 01 F 23/26, 85.

Авторское свидетельство СССР № 1182288, кл, 6 01 L 1/24, 84.

Авторское свидетельство СССР № 640137, кл. G 01 J 4/04, 75.

Авторское свидетельство СССР № 1221496, кл. G 01 F 23/28, 84.

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

Цель изобретения — повышение точности.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — графики зависимости разности фаз при одном отражении от угла падения светового луча для различных значений показателя преломления жидкости.

Устройство содержит источник 1 излучения, поляризатор 2, прозрачную пластину 3, измеритель 4 параметров Стокса, блок 5 электронных ключей, аналого-цифровой преобразователь 6, вычислительное устройство 7.

Устройство работает следующим образом, . Ж 1613870 А1 (54) ОПТИЧЕСКИЙ YPOBHEMEP (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости. Цель изобретения— повышение точности. При воздействии жидкости на поляризованное оптическое излучеwe, проходящее по прозрачной пластине 3, изменяется его поляризация, параметры которой определяются измерителем 4 параметров Стокса, с выходов которого сигналы через ключи 5 и аналого-цифровог преобразователь 6 поступают на вычислительное устройство 7, которое по заданному алгоритму вычисляет значение уровня жидкости. Для оптического излучения в пластине выполняется условие полного внутреннего отражения как на границе с газом, так и на границе с жидкостью. 2 ил.

Электромагнитные волны оптического диапазона от источника 1 излучения поляризуются поляризатором 2 и попадают в плоскопараллельную прозрачную пластину

3. Излучение распространяется по ней благодаря полному внутреннему отражению от границы пластина — воздух. Условие полного внутреннего отражения сохраняется и при переходе излучения в часть пластины 3, граничащую с жидкостью. Показатель преломления жидкости должен быть меньше показателя преломления пластины.

Электромагнитная волна в пластине 3 может быть разложена на две составляющие по отношению к границе раздела пластина — внешняя среда: перпендикулярную () и параллельную (И ).

При распространении излучения по пластине 3 — световоду изменяется амплитуда и фаза излучения. Амплитуда затухает

1613870 д1 = 2arctg

30 по экспоненциальному закону с коэффициентом затухания, практически равным нулю.

Фаза 1 и II составляющих излучения изменяется скачком при отражениях от границы пластины — световода 3 следующим образом: ди = 2arctg „(2) (— ) cos а

A) где д»- скачок фазы1 составляющей; д и — скачок фазы ii составляющей;

a — угол между перпендикуляром к границе раздела и направлением падения луча; н1 — показатель преломления световода 3; по — показатель преломления окружающей среды.

Разность фаз 1 и II составляющих при одном полном внутреннем отражении определяется д 1 = ди — д>

При изменении сдвига фаз между составляющими излучения в световоде 3 изменяется состояние поляризации света.

Для описания состояния поляризации света используют параметры Стокса:

$о=Е»+ Е и, (3)

Sq=E и-Е, (4)

$г=2Е Е и сов д, (5)

$з=2 Е ° Е и з!пд, (6) где Е», Е и — усредненные по времени знаМения составляющих электрического поля; д — разность фаз между составляющими;

S0 — интенсивность;

Si — параметр преимущественной горизонтальной поляризации;

$г — параметр преимущественной поляризации под углом +45;

$з — параметр преимущественной правоциркулярной поляризации.

Выходящее из пластины (световода) 3 излучение направляется на измеритель 4 параметров Стокса, На выходе измерителя

4 снимаются напряжения, пропорциональные параметрам Стокса. Электрический сигнал через ключи 5 поступает на аналогоцифровой преобразователь 6, сигналы с которого служат входной информацией .для вычислительного устройства 7, Из формул 3 и 4 определяются значения

Еи иЕ»

Е =So-Е и. (7)

Подставив значение Е в формулу 4, получаем

$1= Е и - So+ Е (8)

5 Тогда

i i =%+ (9)

I E(I = " +", (10)

10 Проанализировав значения подкоренных выражений в-формулах.9 и 10, определяем действительные значения Е ) и Е и: если So- S> 2 О, тоЕ =

2 если $о- Si < О, то Е =—

2 если So+ Si О, то Еи = $О + $" если $о+ $1 < О, то Еи — — IS 0 + S 1I

Зная величины Е ) и Еи, определяем значение набега разности фаз д в угле О—

360 .

Из формулы 5 следует, что

cos д

$г (11)

2Еи Е», из формулы 6 следует, что

sIn д — (12)

2Еи Е

Далее, воспользовавшись значениями 5 cos д из|пд,изформул11и12определяем величину д в угле Π— 360, если

cos д > и з!пД >О, то

$г д =агссо$2 Е . Е и если созд О, à sin д < О, то агссоз 2 Е Е +2к;

Sã

2Еи Е» если созд< О, а з!пд О,то д =л- arccos I;

S2

2 Еи Е» . еслиcosд< О иsinд< О,то +эccos 2Е Е

$г

2 Еи Е»

Таким образом определяется значение

50 дв пределахΠ— 360 . При отсутствии жидкости регистрируется величина набега разности фэз (по отношению к данному значению д > и ведется отсчет набега фаэ при наличии жидкости). При появлении жидкости с показателем преломления пг (большим,чем у воздуха) значения äi уменьшаются для отражений луча от границы световод — жидкость.

Величина изменения фазы при одном отражении при появлении жидкости i 613870

Лд1 =д1-д1, где д1 — разность фаэ 1.и П составляющих при одном показателе полного внутреннего отражения от границы раздела световод— жидкость, д1 =DII-df., II д II (пО и Ж) ю д„=д(п = пж), 10 где д f — разность фаз 1 и И составляющих при одном полном внутреннем отражении от границы раздела световод — воздух: д1 =д I -д —

15 д!3 =д11(по =и в), д дi(no nB)

На фиг. 2 приведены графики зависимости разности фаз при одном отражении от угла падения светового луча на границу раз- 20 дела а для различных значений показателя преломления жидкости. Таким образом, с ростом уровня жидкости величина общего набега разности фаз с ветоводе 3 уменьшается по отношению к набегу разности фаз при отсутствии жидкости. Наименьший набег разности фаз (НРФ) — при наибольшем уровне жидкости.

При возрастании уровня жидкости значение набега разности фаз по отношению к 30 доможет многократно превышать 360О. Следовательно, возможно неоднозначное истолкование результатов измерения уровня.

Для устранения неоднозначности испульэуется специально разработанные алгоритм обработки результатов измерения параметров Стокса. Неоднозначность устраняется регистрацией и учетом всех переходов че рез 360 и через Оо.

Переход через 360 регистрируется сле- 40 дующим образом: если äI (äI-1, где д — текущее значение сдвига фаз; д — 1 — предыдущее значение сдвига фаэ, то уровень жидкости увеличивается или при уменьшении уровня жидкости произошел переход НРФ через 360 . Таким образом, если äI О,то

Зл

2 произошел переход Н РФ через 360 и число этих переходов увеличивается на единицу (число переходов через 360 снизу). Увеличение числа переходов через 0 на единицу означает уменьшение числа переходов чеез 360 на е ини р А цу

Переход через 0 регистрируется следующим образом: если д >д — 1 то,уровень д

Ссд а. (14) учетом 14 выражение 13 принимает следующий эид: — — (15)

hd

erg а где h — уровень жидкости в резервуаре;

L — длина световода;

Л вЂ” общий набег фаз между 1и 11 составляющими;

d — толщина пластины — световода;

Лд1 — величина изменения фаз при одном отражении, определяемая экспериментально при появлении жидкости; а — угол между перпендикуляром к границе световод — окружающая среда и направлением падения луча, Формула изобретения

Оптический уровнемер, содержащий источник оптического излучения, поляризатор, прозрачную пластину и вычислительное устройство, причем источник излучения оптически связан с входом поляризатора, выход которого оптически связан с верхним торцом пластины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, введены измеритель параметров Стокса, блок электронных ключей и аналого-цифровой преобразователь, при этом нижний торец прозрачной пластины оптически связан с входом измерителя параметров Стокса, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно 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 преобразовате- ля, выход которого связан с входом вычислительного устройства. жидкости, уменьшения или при увеличении.: уровня жидкости произошел-переход набега разности фаз через 0 .

Теперь уровень жидкости в резервуаре может быть определен по формуле

Ь=Е- - Ь1, (13)

Л где h1 — расстояние между двумя соседни1 ми показателями полного внутреннего отражения

1613810 д б2ИВВВВ 7д 72 74 7В 7В ВОВ2ВСВВВВ _#_ о(Фиг.2

Редактор С.Лисина

Заказ 3886 Тираж 53 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101.7В и

fl

5f t0

У

В

7 б

У

3 .2

Составитель А. Протопопов

Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова