Волоконно-оптический уровнемер и способ его изготовления

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для дискретного измерения уровня прозрачной для инфракрасного излучения жидкости на изделиях ракетно-космической техники (РКТ). Сущность: волоконно-оптический уровнемер содержит источники и приемники излучения, подводящие и отводящие оптические волокна, стержни круглого сечения с шаровидными сегментами. При этом радиус стержней определяется выражением d_oв≤R≤1,5d_ов, где d_ов - диаметр оболочки оптического волокна. К каждому стержню подводятся по одному подводящему и одному отводящему волокну. В конструкцию введены труба длиной не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости со сквозными отверстиями на боковой поверхности, Г-образные корпуса, состоящие из неподвижно соединенных между собой полых трубок, втулок, наконечников в виде конуса. Отверстия в верхней части полой трубки совмещены с отверстиями в трубе, а в отверстиях наконечников закреплены стержни. Все оптические волокна проходят внутри трубы и через отверстия в трубе подводятся к стержням, причем количество отверстий, Г-образных корпусов, стержней соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости. Способ изготовления волоконно-оптического уровнемера заключается в том, что нарезают оптические волокна в количестве 2n, где n - количество контролируемых точек уровня жидкости. Волокна соединяют в два жгута, объединяемых в общий жгут, который протягивают через трубу. Через отверстия в трубе, начиная с самого нижнего и перемещаясь вверх по трубе, протягивают свободные концы одного подводящего оптического и одного отводящего волокон последовательно, начиная с самых длинных. Пропускают оптические волокна через полые трубки корпусов и вклеивают их во втулки. Вклеивают стержни в наконечники. Наконечниками прижимают втулки к нижнему торцу полых трубок корпусов и в местах их соединений сваривают. Верхние части корпусов соединяют с трубой. Заглушкой закрывают с нижнего конца трубу, свободные торцы подводящих оптических волокон подводят к источникам излучения, а отводящих оптических волокон - к приемникам излучения. Технический результат - возможность контроля нескольких значений уровня, снижение погрешности от эффекта смачивания за счет уменьшения радиуса сегмента, работоспособность в жестких условиях РКТ, повышение искро-, пожаро-, взрывобезопасности. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости с коэффициентом преломления n>1,25, прозрачной для инфракрасного излучения (например, уровня топлива в топливных баках), в условиях воздействия вибраций, ударов, изменения температуры окружающей среды в диапазоне минус 100…+150°С (и более) на изделиях авиационной, ракетно-космической техники и в других отраслях техники.

В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающих заявленный технический результат.

Известен волоконно-оптический уровнемер, содержащий последовательно соединенные источник излучения, волоконно-оптическую линию передачи, чувствительный элемент, выполненный в виде световода, и приемник излучения. Чувствительный элемент выполнен в виде прямолинейного волоконно-оптического световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала. Значение показателя преломления уменьшается снизу вверх в соответствии с определенными соотношениями (Патент СССР 1280329 А1, кл. G01F 23/22, опубл. 30.12.86).

Недостатком указанного уровнемера является технологическая сложность получения с заданной точностью световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала. При заполнении емкости жидкостью под большим напором, а также при наличии вибраций, ударов возможна поломка световода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, содержащий источник и приемник излучения, подводящее и отводящие оптические волокна, чувствительный элемент, выполненный в виде стержня круглого сечения с шаровым сегментом на рабочем торце из оптически прозрачного материала с определенным коэффициентом преломления (Патент РФ 2297602 С1, кл. G01F 23/22, опубл. 20.04.07 (прототип)).

Недостатком данного сигнализатора является отсутствие возможности контролировать несколько значений уровня жидкости.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет дискретного измерения уровня жидкости в требуемом диапазоне измерения.

Указанный технический результат достигается тем, что:

1 - в известном волоконно-оптическом уровнемере, содержащем источники и приемники излучения, подводящие и отводящие оптические волокна, стержни круглого сечения с шаровидными сегментами, обращенными в сторону измеряемой жидкости из оптически прозрачного материала, для которого выполняется условие:

где n_СР, n_Ж, n₁ - показатели преломления окружающей среды, жидкости и стержня соответственно,

новым является то, что радиус стержней определяется выражением

где d_ов - диаметр оболочки оптического волокна,

к каждому стержню подходит по одному подводящему и одному отводящему волокну, в конструкцию введены труба длиной не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости со сквозными отверстиями на боковой поверхности, жестко закрепленные на трубе Г-образные корпуса, состоящие из неподвижно соединенных между собой полых трубок, втулок со сквозным внутренним отверстием, наконечников в виде конуса с цилиндрическим сквозным отверстием, в которых закреплены стержни, внешние контуры частей корпуса в местах их соединений одинаковые, причем отверстия в верхней части полой трубки совмещены с отверстиями в трубе, а в отверстиях наконечников закреплены стержни, все оптические волокна проходят внутри трубы и через отверстия в трубе подводятся к стержням, причем количество отверстий, Г-образных корпусов, стержней соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости;

2 - новым является способ изготовления волоконно-оптического уровнемера по п.1, заключающийся следующем:

1) нарезают оптические волокна в количестве 2n, где n - количество контролируемых точек уровня жидкости, причем длина L_i двух отдельных i-x волокон определяется соотношениями:

а) когда точки контроля уровня жидкости равноудалены:

б) когда точки контроля уровня жидкости распределены по длине емкости неравномерно:

где L - длина участка от источника 1 или приемника излучения 11 до емкости;

H - высота емкости (или расстояние от верхней границы емкости до последней точки съема информации);

Δ_i - расстояние между ближайшими точками съема информации, i=1, 2,…, n - порядковый номер точки;

2) торцы оптических волокон полируют;

3) оптические волокна соединяют в два жгута таким образом, чтобы все подводящие оптические волокна находились в первом жгуте, а все отводящие оптические волокна - во втором жгуте;

4) первый и второй жгуты объединяют в общий жгут таким образом, чтобы с одного конца все волокна находились на одном уровне (в одной плоскости), а с другого конца находились в свободном состоянии на расстоянии

где l_a, l_b- длины верхней и нижней части корпуса соответственно;

5) протягивают общий жгут через трубу таким образом, чтобы нижние концы самых длинных оптических волокон выступали за торец трубы на длину

6) через отверстия в трубе, начиная с самого нижнего и перемещаясь вверх по трубе, протягивают свободные концы одного подводящего оптического волокна и одного отводящего оптического волокна последовательно, начиная с самых длинных.

Дальнейшие действия по 7)-10) последовательно осуществляются для каждого корпуса:

7) пропускают оптические волокна через полые трубки корпусов и вклеивают их с помощью клеящего состава во втулки таким образом, чтобы рабочие торцы оптических волокон были расположены в плоскости поверхности втулок, обращенных к наконечнику;

8) вклеивают стержни в наконечники таким образом, чтобы сферические сегменты располагались с узкой стороны конуса;

9) наконечниками прижимают втулки к нижнему торцу полых трубок корпусов и в местах их соединений сваривают;

10) верхние части корпусов соединяют с помощью сварки с трубой;

11) заглушкой закрывают с нижнего конца трубу и закрепляют с помощью сварки;

12) свободные торцы подводящих оптических волокон подводят к источникам излучения, а отводящих оптических волокон - к приемникам излучения.

Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.

На фиг.1 приведена упрощенная конструктивная схема предлагаемого волоконно-оптического уровнемера, на фиг.2 - процесс изготовления волоконно-оптического уровнемера, на фиг.3а - схема распространения света в одном оптическом канале предлагаемого волоконно-оптического уровнемера, на фиг.3б - графические пояснения к определению геометрических параметров уровнемера.

Волоконно-оптический уровнемер содержит источники излучения 1, например полупроводниковые светодиоды, подводящие 2 и отводящие 3 оптические волокна, оптические стержни 4, Г-образные корпуса 5, состоящие из трех частей: полых трубок 6, втулок 7 со сквозным внутренним отверстием, наконечников 8 в виде конуса с цилиндрическим сквозным отверстием, трубу 9, заглушку 10, приемники излучения 11, например фотодиоды (фиг.1).

С источниками излучения 1 состыкованы подводящие оптические волокна 2, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Стержни 4 имеют круглое сечение и выполнены с шаровидными сегментами на рабочем торце, обращенными в сторону жидкости, радиусом R, определяемым условием (2), из оптически прозрачного материала, например из кварцевого стекла, для которого выполняется условие (1).

Цилиндрическая часть стержней 4 закрепляется в конусообразном наконечнике 6 корпуса 5 с помощью соединительного состава 12 с коэффициентом преломления n₁, меньшим коэффициента преломления жидкости n_Ж (n₁<n_Ж), уровень которой измеряется, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 6 корпуса 5 на значение, равное R.

Подводящее оптическое волокно 2 и отводящее оптическое волокно 3 закреплены во втулке 7 корпуса 5 с помощью клея 13, обладающего большой упругостью. Части 6, 7, 8 корпуса 5 соединены между собой с помощью сварки 14, при этом центры торцов подводящего оптического волокна 2 и отводящего оптического волокна 3 смещены относительно центра торца стержня 4 на значение, равное (d_ов/2…1,5 d_ов/2). Количество корпусов соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Труба 9 изготавливается длиной не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости. Поперечное сечение трубы может быть круглым или прямоугольным. На фиг.1 для примера приведена круглая труба. В трубе просверлены сквозные отверстия так, чтобы их оси были перпендикулярны продольной оси трубы. Например, как показано на фиг.1, отверстия выполнены равномерно по спирали с равномерным шагом, соответствующим расстоянию между точками съема информации. Количество отверстий соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Корпуса 5 крепятся к трубе 9 с помощью сварки 15 так, чтобы отверстия в верхней части корпуса 5 были совмещены с отверстиями в трубе 9.

Герметизация трубы осуществляется с помощью заглушки 10, которая крепится к трубе 9 с помощью сварки 16. Внутренняя полость 17 трубы 9 заполняется герметиком 18 (на фиг.1 не показан) в целях исключения поломок оптических волокон при воздействии вибрации, ударов и т.п.

Отводящие оптические волокна 3, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости, соединены с приемниками излучения 11.

Оптические волокна 2 и 3 проходят внутри трубы 9 и через отверстия в трубе 9 протянуты к приемному торцу стержня 4.

Способ изготовления волоконно-оптического уровнемера заключается в следующем (фиг.2).

1) Нарезают оптические волокна в количестве 2n, где n - количество контролируемых точек уровня жидкости, причем длина L_i двух отдельных i-x волокон определяется соотношениями (3), когда точки контроля уровня жидкости равноудалены, соотношениями (4), когда точки контроля уровня жидкости распределены по длине емкости неравномерно (см. фиг.2а).

2) Торцы оптических волокон 2 и 3 полируют.

3) Оптические волокна соединяют в два жгута 20 и 21 таким образом, чтобы все подводящие оптические волокна 2 находились в одном жгуте 20, а все отводящие оптические волокна 3 - в жгуте 21 (см. фиг.2б).

4) Жгуты 20 и 21 объединяют в общий жгут 22 (см. фиг.2в) таким образом, чтобы с одного конца все волокна находились в одной плоскости, а с другого конца находились в свободном состоянии на расстоянии, определяемом выражением (5) (см. фиг.3).

5) Протягивают жгут 22 через трубу 9 таким образом, чтобы нижние концы самых длинных оптических волокон 2 и 3 выступали за торец трубы 9 на длину, определяемую выражением (6) (см. фиг.2г).

6) С помощью приспособления в виде крючка через отверстия (начиная с самого нижнего и перемещаясь вверх по трубе 9) в трубе 9 протягивают свободные концы одного подводящего оптического волокна 2 и одного отводящего оптического волокна 3 последовательно, начиная с самых длинных (см. фиг.2д).

Дальнейшие действия по 7)-13) последовательно осуществляются для каждого корпуса 5 (см. фиг.1).

7) Пропускают оптические волокна 2 и 3 через полые трубки 8 и вклеивают их с помощью клеящего состава 13 во втулки 7. Наличие клеящего состава 13 на рабочих торцах волокон 2, 3 не допускается.

9) Втулки 7 устанавливают в паз наконечников 8.

10) Вклеивают стержни 4 с помощью клеящего состава 12 в наконечники 6 таким образом, чтобы сферические сегменты располагались с узкой стороны конуса. Наличие клеящего состава 12 на сферических сегментах и торцах стержней 4 не допускается.

11) Наконечниками 6 прижимают втулку 7 к трубочке 8 корпуса 5.

12) Части 6, 7, 8 корпуса 5 соединяют между собой сваркой 14.

13) Верхние части корпуса 5 соединяют с помощью сварки 15 с трубой 9.

14) Заглушкой 10 закрывают с нижнего конца трубу 9 и закрепляют с помощью сварки 16.

15) Герметиком 18 (на фиг.1 не показан) заполняют внутреннюю полость 17 трубы 9.

16) Свободные торцы подводящих оптических волокон 2 подводят к источникам излучения 1, а отводящих оптических волокон 3 - к приемникам излучения 11.

Один измерительный канал волоконно-оптического уровнемера работает следующим образом (см. фиг.3а).

Излучение источника излучения 1 направляется по подводящему оптическому волокну 2 к стержню 4. Поток излучения, излучаемый торцом подводящего оптического волокна 2, падает на входной торец стержня 4, преломляется и распространяется по нему путем переотражения от цилиндрической поверхности до шарового сегмента (Патент РФ 2297602 С1, кл. G01F 23/22, опубл. 20.04.07).

При отсутствии контакта шарового сегмента стержня 4 с жидкостью лучи света за счет выполнения условия полного внутреннего отражения отражаются от поверхности стрежня и возвращаются обратно к входному торцу стержня 4, преломляются и выходят из стержня 4, падая на приемный торец отводящего оптического волокна 3. По отводящему оптическому волокну 3 поток излучения распространяется до приемника излучения 11, где происходит его преобразование в электрический сигнал (напряжение).

При контакте шарового сегмента с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения и большая часть излучения выходит из стержня (см. фиг.3, точка А), оставшаяся меньшая часть по отводящему оптическому волокну 3 распространяется до приемника излучения 11.

Таким образом, наличию жидкости в зоне измерения соответствует высокий уровень напряжения приемника излучения 11, отсутствию жидкости - низкий уровень напряжения.

Аналогичным образом работают другие измерительные каналы волоконно-оптического уровнемера (см. фиг.3б).

Повышение или понижение уровня жидкости в емкости 19 ведет к последовательному срабатыванию измерительных каналов. Сигналы с приемников излучения 11 в дальнейшем могут передаваться в систему обработки информации, которая может выдавать сигнал в виде последовательного дискретного повышения или понижения напряжения соответственно при повышении и понижении уровня жидкости или обрабатывать индивидуально сигналы с каждого измерительного канала.

Технический результат предлагаемого изобретения следующий.

В предлагаемой конструкции волоконно-оптического уровнемера реализовано дискретное измерение уровня жидкости, что позволяет контролировать несколько значений уровня жидкости.

Предлагаемая новая конструкция волоконно-оптического уровнемера позволяет производить контроль уровня жидкости в требуемых точках емкостей, работоспособна в жестких условиях РКТ, обладает абсолютной искро-, взрыво-, пожаробезопасностью и не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.

1. Волоконно-оптический уровнемер, содержащий источники и приемники излучения, подводящие и отводящие оптические волокна, стержни круглого сечения с шаровидными сегментами, обращенными в сторону измеряемой жидкости из оптически прозрачного материала, для которого выполняется условие
n_ср<n_ж<n₁,
где n_ср, n_ж, n₁ - показатели преломления окружающей среды, жидкости и стержней соответственно,
отличающийся тем, что радиус стержней определяется выражением
d_ов≤R≤1,5d_ов,
где d_ов - диаметр оболочки оптического волокна, к каждому стержню подходит по одному подводящему и одному отводящему волокну, в конструкцию введены труба, длиною не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости со сквозными отверстиями на боковой поверхности, жестко закрепленные на трубе Г-образные корпуса, состоящие из неподвижно соединенных между собой полых трубок, втулок со сквозным внутренним отверстием, наконечников в виде конуса с цилиндрическим сквозным отверстием, в которых закреплены стержни, внешние контуры частей корпуса в местах их соединений одинаковые, причем отверстия в верхней части полой трубки совмещены с отверстиями в трубе, а в отверстиях наконечников закреплены стержни, все оптические волокна проходят внутри трубы и через отверстия в трубе подводятся к стержням, причем количество отверстий, Г-образных корпусов, стержней соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

2. Способ изготовления волоконно-оптического уровнемера по п.1, отличающийся тем, что:
1) нарезают оптические волокна в количестве 2n, где n - количество контролируемых точек уровня жидкости, причем длина L_i двух отдельных i-x волокон определяется соотношениями:
а) когда точки контроля уровня жидкости равноудалены:
L_i≥L+[Н-(i-1)Δ_i],
б) когда точки контроля уровня жидкости распределены по длине емкости неравномерно:

где L - длина участка от источника или приемника излучения до емкости;
Н - высота емкости (или расстояние от верхней границы емкости до последней точки съема информации);
Δ_i - расстояние между ближайшими точками съема информации, i=1, 2,…,
n - порядковый номер точки;
2) торцы оптических волокон полируют;
3) оптические волокна соединяют в два жгута таким образом, чтобы все подводящие оптические волокна находились в первом жгуте, а все отводящие оптические волокна - во втором жгуте;
4) первый и второй жгуты объединяют в общий жгут таким образом, чтобы с одного конца все торцы волокон находились в одной плоскости, а с другого конца находились в свободном состоянии на расстоянии
l_i≥l_a+l_b+Δ_i,
где l_а, l_b - длины верхней и нижней частей корпуса соответственно;
5) протягивают общий жгут через трубу таким образом, чтобы нижние концы самых длинных оптических волокон выступали за торец трубы на длину (l_i-Δ_i);
6) через отверстия в трубе, начиная с самого нижнего и перемещаясь вверх по трубе, протягивают свободные концы одного подводящего оптического волокна и одного отводящего оптического волокна последовательно, начиная с самых длинных,
дальнейшие действия по 7)-10) последовательно осуществляются для каждого корпуса;
7) пропускают оптические волокна через полые трубки корпусов и вклеивают их с помощью клеящего состава во втулки таким образом, чтобы рабочие торцы оптических волокон были расположены в плоскости поверхности втулок, обращенных к наконечнику;
8) вклеивают стержни в наконечники таким образом, чтобы сферические сегменты располагались с узкой стороны конуса;
9) наконечниками прижимают втулки к нижнему торцу полых трубок корпусов и в местах их соединений сваривают;
10) верхние части корпусов соединяют с помощью сварки с трубой;
11) заглушкой закрывают с нижнего конца трубу и закрепляют с помощью сварки;
12) свободные торцы подводящих оптических волокон подводят к источникам излучения, а отводящих оптических волокон - к приемникам излучения.