Оптический уровнемер
союз советских
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУбЛИК (я)ю G 01 F 23/22
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАТент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
° (21) 4891807/10 (22) 17.1.2-.90 (46) 23.02.93. Sion. Лй 7, (71) Винницкий политехнический институт (72) P.S.Рева (56) Патент США
f4 4311048, кл, 6 01 F 23/28, 1985, „„5Q„„1796913 А1
2 (54) ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР (57) Изобретение относится к технике контроля технологических параметров и может быть использовано при измерении уровня жидких сред в различных отраслях промышленности, Сущность изобретения: устройство содержит источник излучения 1, блок
:ввода излучения 2, многомодовый многослойный световод 3, блок вывода излучений
5, фотоприемник 6. 1 ил.
1796913
3 .Изобретение относится к измеритель- многослойногосветовода.ППнечетныхслонойтехнике.и может быть использованодля ев больше ПП четных слоев (при отсчете от измерения уровня жидких сред.. слоя, контактирующего с контролируемой
Известен оптико-электронный дискрет- жидкостью), толщина четных слоев меньше ный оптический уровнемер, содержащий Б длины волны распространяющегося иэлучеисточник света, фотоприемник и световод, ния, Существенным отличием данного изоустановленный на пути отраженного от жид- бретения является то, что осуществляется кости луча; Йедостатками устройства явля- непрерывное пополнение потерь оптичеl<>Tcfl индикации одного или несколы<их ского излучения вдоль всей световодной уровней жидкости, что ограничивает его об- "О пластины за счет туннелирования .оптичеласть йрименейия . а также зависимость ре- ской энергии через четные слои многослой-.
; зультатов измерения от незначительных ного световода (МС). Отличительным флуктуаций поверхности. " признаком заявляемого решения от протоИзвестен также указатель уровня жид- типа является использование многослойкости в резервуаре, содержащий источник 1Б ного световода в качестве чувствительного света, фотоприемник и прозрачный стер- элемента уровнемера. Реализация непрежень, погруженный в жидкость. Недостат- рывного пополнения потерь оптической ком.устройства является индикация одного мощности при нарушении условия ПВ0 и или нескольких уровней жидкости, что огра- возможность измерения уровня жидкости в ничивает область применения, поскольку 2О широкомдиапазоне при ППжидкостибольневозможно измерение уровня жидкости в ше, чем у световодного чувствительного элешироком диапазоне с малым шагом диск- мента ни в одном из существующих ретности, -,.....,:, . устройств измерения уровня жидкости не
Наиболее близким к предлагаемому ус- имеет места. На основе проделанного анатройству контроля уровйя является устрой- 25 лиза можно сделать вывод о существенноство, содержащее источник оптического сти отличий заявляемого устройства. излучения, фотоприемник, световодную На чертеже представлена структурная пластину из оптически прозрачного матери- схема предлагаемого устройства. ала, сает распространяется по световоду Устройство содержит источник.излучеблагодаря полным внутренним отражениям 30 ния(ИИ) 1, вйход которого оптически связан (ПВО). Излучение:выходит из пластины в со входом блока ввода излучения (БВВИ) 2, точках контакта с жидкостью, показатель выход которого оптически связан со входом преломления которой ниже показателя пре- многослойного световода (MC) З,.находящеломления световода, Если световод окру- гося в сосуде с контролируемой жидкостью жен Bîéäó><îì, То весь свет от источника 3Б 4, выход МС оптически связан со входом достигает фотоприемника. Однако данное блока вывода излучения (БВИ) 5, выход ко-.. устройство имеет малый диаг1зон измере- торого оптически связан со входом фотония поскольку при нарушении условия ПВО приемника (ФП) 6. . коэффициент отражения излучения сущест- Устройство работает следующим обравенно меньше 1, т.е. при каждом отражении. ч<> эом. световодной пластине значительно умень- Электромагнитиая волна оптического шается, в результате чего оптическая энер- диапазона от ИИ через БВВ (например, обь гия в ней практически полностью затухает ектив) вводится в МС, МС представляет сопосле нескольких отражений. Кроме того, бой многослойную пластину из оптически область применения прототипа ограничена, 4Б прозрачного материала, причем за счет разпоскольку измерение уровня жидкости с по- личия показателей преломления (fl» П2; казателем преломления (ПП) превышаю- Пз>Пг см. фиг,2) световодными свойствами щим ПП световодной пластины практически обладают нечетные (отсчет введется от слоя невозможно, что оговорено в описании про- граничащего с внешней средой П<> см.) слои. тотипа. 5о Толщина четных слоев меньше длины волны
Цель изобретения — расширение диапа- распространяющегося излучения для обесзона измерения уровня жидкости и расши- печения туннелирования излучения через рение диапазона контролируемых четные слои. При отсутствии жидкости в жидкостей (области применения). сосуде 4 излучение распространяясь по .Указанная цель достигается тем, что в 55 нечетным слоям МС благодаря ПВО достиустройство, содержащее источник оптиче- гает БВИ (в качестве которого может быть .0xого излучения, световодйую пластину, фо- использован фокусирующий объектив) топриемник дополнительно введены блок посредством которого излучение направ.ввода излучения, блок вывода излучения. а ляется на ФП, который вырабатывает соотсветоводная пластина выполнена в виде ветствующий сигнал пропорциональный
1796913 где гзг—
К=1-R
2 1
= — Р1 (х) Т + Рг (х) К1г — Р1 (х) К1г
dP1 х
dx — — Р» (х) К вЂ” 1, + Р— 1 (х) Ц вЂ” 1, + Р) + (х) К, + 1 — Р (х) К(, + бр1 х (), и ()Ки
dPN x дх интенсивности прошедшего через МС излучения. Излучение в МС вводится подуглами, для которых выполняется условие ПВО при отсутствии жидкости. и нарушение условия
flBQ в первом нечетном слое МС, грайичащим с внешней средой при наличии жидкости, Нарушение условия flBO в первом нечетном слоем имеет место на том участке его границы, которая контактирует с контролируемой жидкостью. Излучение вводится равномерно во все направляющие слои (нечетные слои}. Поскольку нарушается ус. ловие flBO в первом нечетном слое мощность оптичecкoгo излучения в нем начинает. уменьшаться пропорционально коэффициенту прохождения Т, который определяется 8 соответствии с формулами
Френеля. Однако в этом случае нарушится равенство мощностей излучения в первом и втором нечетных слоях МС и, следовательно, возникает процесс перераспределения оптической мощности между нечетными слоями. Этот процесс будет иметь место, поскольку толщина четных слоев МС меньше длины волны распространяющегося в
МС излучения, .коэффициент прохождения . излучения из одного нечетного слоя в другой определяется, как где и — коэффициент отражения волны, падающей на границу раздела четного и нечетного слоев (причем четный слой граничит с другим нечетным слоем мощность излуче-. ния s кKоoтTоoрpоoм мMеeнHfь шmеe, чем в том, в котором находится падающая волна).
Значение К может быть определено по формуле где b=-- -Н П3 sin Оз — Пг г г
il-длина волны распространяющегося излучения;
5 Н вЂ” толщина четного слоя (фиг.2);
Пз — показатель преломления второго нечетного слоя (фиг.2);
Пг — ПП первого четного слоя (фиг.2).
Значения р г и pz> определяются из
10 выражений: гзг=е1+2 и гг1= pJ — Пз 81п % — Пг — П1 $!и 01 г 2
Г21
Пз з п 6h — Пг + П1 sfn 01
20 где дз — угол падения оптического излучения во втором нечетном слое, 0> — угол падение излучения в первом нечетном слое, П вЂ” ПП первого нечетного слоя, гзг„гг1 — френелевские коэффициенты отражения на границе раздела слоев ИИ! и
И-I соответственно.
Оптическое излучение иэ второго нечетgg ного слоя будет проникать в первый нечетный слой пополняя потери в нем..
Вследствие этого нарушается равенство мощностей излучения во втором и третьем . нечетном слое. Это вызовет перераспреде 5 ление оптической энергии между третьим, вторым и первым нечетным слоями, направленные на компейсацию потерь вызванных нарушение условия ПВО в первом нечетном слое. Аналогичным образом в процесс пере1п. распределения оптической энергии будут вовлечены все нечетные (направляющие) слои МС, Процесс перераспределения оптической мощности между нечетными слоями описывается системой дифференциальных
4б уравнений первого порядка:
1796913
Ф о р м у л а и з о 6 р е т е н и я: световода, в котором показатели преломлеОптическийуровнемер;содержащийис- ния нечетных слоев больше показателей точник оптического излучения,.фотоприем- йреломления четных слоев, а толщина чет:ник и световодную пластину из оптически . ных слоев меньше длины волны источника прозрачного материала, о т л и ч а ю щ и и - 0 оптического излучения, через блок ввода изб я тем; что, с целью расширения диапазона лучения оптически связанного е многослой : йзмерейия и области применения, в него ным световодом, который через блок введены блок ввода излучения, световодная вывода излучения оптически связан с фотопластина выполнена в вйде многослойного: приемником.
Составитель Т.Сергеева
Редактор Т.Шагова Техред М.Моргентал Корректор C.Þñêî
Заказ 644 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
f13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 где. I — номер слоя, отсчет ведется от слоя, граничащего с контролируемой средой (1=1N), Ко+1 — коэффициент прохождения иэ . 1+1-ого. нечетного слоя в l-тый, х - расстояние вдоль МС, на котором нарушено условие ABQ, Pi(x) - оптическая мощность локализо: ванная в 1-том слое, Т вЂ” коэффициент прохождения из первого нечетного слоя в контролируемую жидкость при нарушении условия ПВО.:
Диапазон измерения уровня жидкости у
5 прототипа и у заявляемогб решения определяется количеством отражений, которое претерпевает излучение в световоде до уровня затухания еще позволяющего детектировать сигнал.
