Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности границы раздела двух сред с различными показателями преломления. Сущность: волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости содержит источник и приемник оптического излучения, размещенные в блоке обработки измерительной информации, оптически связанные соответственно с источником и приемником излучения передающий и приемный световоды, имеющие общий торец, и световозвращающий световод, один из торцов которого оптически связан с общим торцом передающего и приемного световодов. Технический результат: волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости экспериментально показал высокую эффективность измерений, эксплуатационную надежность при простоте конструкции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности границы раздела двух сред с различными показателями преломления.

Известен волокнисто-оптический датчик жидких сред [1], содержащий два световода, торцы которых на одном из концов лежат в одной плоскости и оптически связаны чувствительным элементом, выполненным из прозрачного материала, поверхность которого, ограниченная апертурами световодов, выполнена в виде двух пересекающихся симметрично расположенных относительно оси датчика эллипсоидов вращения, первые фокусы которых совпадают с центрами торцов световодов, а вторые совпадают с точкой, лежащей на оси симметрии датчика, расположенной на определенном расстоянии от торцевой плоскости световодов. В этом датчике излучение источника вводится в передающий световод и направляется к чувствительному элементу. Пучок лучей, выходящих с торца передающего световода, отражается левой эллиптической поверхностью чувствительного элемента и формирует в области фокуса изображение торца передающего световода. Распространяясь далее, пучок лучей отражается правой поверхностью чувствительного элемента и попадает на торец приемного световода. Форма поверхности чувствительного элемента представляет собой два пересекающихся симметрично расположенных относительно оси датчика эллипсоидов вращения. Поэтому практически все лучи выходного пучка передающего световода попадают на торец приемного световода и поступают на фотоприемник.

Уровень принятого оптического сигнала зависит от условий отражения на передней поверхности чувствительного элемента. При погружении чувствительного элемента в жидкость условия отражения меняются, большая часть излучения выходит в среду, уровень принятого фотоприемником оптического сигнала падает, что и свидетельствует об изменении уровня жидкой среды относительно чувствительного элемента датчика.

К недостаткам этого сигнализатора относится сложность изготовления чувствительного элемента и еще большая сложность юстировки и последующей фиксации чувствительного элемента относительно общей плоскости торцов двух приемопередающих световодов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, описанный в [2].

Сигнализатор содержит источник и приемник излучения, передающий и приемный световоды, корпус, в котором жестко закреплены общий торец передающего и приемного световодов и световозвращающий элемент. Отличительной особенностью сигнализатора является световозвращающий элемент, в качестве которого используется оптически прозрачный стержень круглого сечения, контактирующий с жидкостью, торец которого представляет собой шаровой сегмент, являющийся одновременно чувствительным элементом всего сигнализатора в целом. Цилиндрическая часть стержня закреплена в корпусе совместно с общим торцом передающего и приемного световодов с помощью соединительного компонента, а шаровой сегмент выступает за пределы корпуса. Радиус шарового сегмента однозначно связан с углом ввода светового потока в стержень и углами, под которыми он переотражается от границы раздела стержень - внешняя среда. В этом сигнализаторе световой поток от источника излучения по передающему световоду под соответствующим апертурным углом вводится в стержень и передается по стержню путем переотражения от границ двух сред до шаровой поверхности и далее, отразившись от нее, возвращается по стержню и приемному световоду к приемнику излучения. Световой поток распространяется по стержню таким образом, что в зоне контакта его с воздухом или клеящим составом выполняется условие полного внутреннего отражения, а при контакте с жидкостью это условие нарушается. Это вызывает выход части светового потока из световода. Экспериментально показано, что выходная мощность сигнала уменьшается в 2-3 раза при погружении чувствительного элемента в жидкость.

К недостаткам данного сигнализатора следует отнести все еще остающийся достаточно сложным процесс изготовления чувствительного элемента, связанный с необходимостью изготовления шарового сегмента с однозначно определенным радиусом, зависящим от нескольких параметров.

Все перечисленные недостатки указанных сигнализаторов уровня жидкости возникают из-за того, что функционирование их чувствительных элементов основано на нарушении принципа полного внутреннего отражения.

Изготовление сигнализаторов уровня жидкости можно упростить, если в основу их конструкции положить чувствительный элемент, работающий на другом принципе - принципе измерения изменения величин светового потока, вызванного отражением Френеля от границы раздела двух сред с разными показателями преломления.

Задачей изобретения является создание простого в изготовлении и надежного (за счет простоты конструкции) в эксплуатации волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости, принцип действия которого основан на измерении изменения величины светового потока, вызванного отражением Френеля от границы раздела двух сред с разными показателями преломления.

Технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом сигнализаторе уровня жидкости, содержащем источник и приемник излучения, размещенные в оптоэлектронном модуле, передающий и приемный световоды, оптические соединители и световозвращающий элемент, последний выполнен из световода, входной торец которого оптически связан с общим торцом приемного и передающего световодов, а выходной торец, контактирующий с контролируемой средой (жидкостью), является чувствительным элементом сигнализатора.

Простота в изготовлении и надежность в эксплуатации обеспечены простотой и надежностью световозвращающего элемента, который представляет собой световод, длина которого определяется конкретной решаемой задачей.

Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости (см. чертеж) содержит источник 1 и приемник 2 излучения, размещенные в оптоэлектронном модуле 3, снабженном оптическим разъемом 4, передающий световод 5, приемный световод 6, торцы которых находятся в одной плоскости и закреплены в разъеме 4, световозвращающий световод 7 с оптическим соединителем 8, размещенным на входном торце, и выходным торцом 9, являющимся чувствительным элементом сигнализатора.

Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости работает следующим образом. Излучение от источника 1 через передающий световод 5 попадает в световозвращающий световод 7 (световоды 5 и 7 оптически связаны между собой элементами 8 и 4), распространяется по нему до выходного торца и излучается в окружающее пространство. Однако излучение величиной в четыре (приблизительно) процента, распространяющееся по световоду 7, согласно Френелю, отражается от выходного его торца 9, представляющего собой границу раздела двух сред (материал сердечника световода/окружающая среда, в данном случае воздух), и по тому же световоду 7, оптически связанному элементами 8 и 4 со световодом 6, и световоду 6 направляется на приемник излучения 2. Описанный процесс происходит, когда выходной торец 9 находится в воздухе, т.е. вне контролируемой среды. Как только выходной торец 9 световозвращающего световода 7 попадает в контролируемую среду (например, жидкость), Френельское отражение исчезает (в той или иной степени) и отраженное излучение отсутствует. В зависимости от того или другого случая оптоэлектронный модуль выдает сигнал наличия или отсутствия жидкости.

Описанное исполнение сигнализатора, когда приемный и передающий световоды имеют общий торец и посредством оптического разъема (втулки или розетки) оптически связаны со световозвращающим световодом, оконцованного оптическим разъемным соединителем (наконечником), вовсе не являются единственным возможным вариантом конструкции сигнализатора. Другим практически реализованным является сигнализатор, измерительный световодный тракт которого выполнен на основе Y образного ответвителя.

Приведем количественные параметры первого варианта сигнализатора, выполненного на основе полимер-полимерных волокон, диаметром ⊘ 400 мкм, из которых сформирован 7-волоконный преобразователь с внешней модуляцией, полимер-полимерного световода, диаметром ⊘ 1000 мкм и длиной 1,5 м, излучателя АЛ-107, фотоприемника ФД-256, разъемных оптических соединителей и розетки FC.

При отсутствии контакта с жидкостью (водой), т.е. при нахождении световозвращающего световода (полимер-полимер, длиной 1,5 ми диаметром ⊘ 1000 мкм) в воздухе на фотоприемник поступало излучение мощностью 79-81 нВт. При контакте с водой мощность излучения составляла величину 13-15 нВт.

Волоконно-оптический сигнализатор показал высокую измерительную эффективность, надежность в эксплуатации при простоте конструкции. Готовится его серийный выпуск.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. SU № 1613871 A1 G01F 23/28, 1987 г.

2. Т.И.Мурашкина Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, Радиотехника, № 10, 1995 г.

1. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, содержащий источник и приемник оптического излучения, размещенные в блоке обработки измерительной информации, оптически связанные соответственно с источником и приемником излучения передающий и приемный световоды, имеющие общий торец, и световозвращающий элемент, отличающийся тем, что световозвращающий элемент выполнен из световода, один из торцов которого оптически связан с общим торцом передающего и приемного световодов, а другой торец - с окружающей средой.

2. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости по п.1, отличающийся тем, что передающий, приемный и световозвращающий световоды выполнены в виде Y-образного ответвителя.