Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности сред с различными показателями преломления. Сущность: волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости содержит источник и приемник оптического излучения, размещенные в блоке обработки измерительной информации, и световозвращающий световод, выполненный из волоконного световода. При этом входной торец световода оптически связан с источником излучения, а выходной торец, контактирующий с контролируемой средой, совместно с боковой поверхностью волоконного световода являются чувствительным элементом сигнализатора уровня и вида жидкости. Кроме того, оптическая связь световода с приемником излучения выполнена соединением изгиба световода с этим приемником. Технический результат: достоверность контроля, высокая разрешающая способность, простота изготовления и эксплуатации. 5 ил.

 

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

Созданные к настоящему времени сигнализаторы уровня и вида жидкости [1, 2] весьма сложны в изготовлении чувствительного элемента и юстировке с последующей фиксацией этого элемента относительно общей плоскости торцов двух приемопередающих световодов. В указанных сигнализаторах уровня и вида жидкости функционирование их чувствительных элементов основано на нарушении принципа полного внутреннего отражения.

К недостаткам известных сигнализаторов следует отнести все еще остающийся достаточно сложным процесс изготовления чувствительного элемента.

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

Изготовление сигнализатора уровня и вида 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.

Такой сигнализатор разработан. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости содержит источник и приемник излучения, размещенные в оптоэлектронном модуле, снабженном оптическим разъемом, передающий световод, приемный световод, торцы которых находятся в одной плоскости и закреплены в наконечнике оптического соединителя, световозвращающий световод с оптическим соединителем, размещенным на входном торце, и выходным торцом световозвращающего световода, являющимся чувствительным элементом сигнализатора [3].

Однако этот сигнализатор имеет существенные недостатки. Главный из них (как показала практика) состоит в отсутствии элемента для отвода воды с выходного торца световода. Другой недостаток состоит в конструктивном исполнении приемо-передающего канала сигнализатора, построение которого можно упростить. Следующий недостаток состоит в недостаточной разрешающей способности сигнализатора жидкости.

Задачей изобретения является создание обеспечивающего достоверность контроля, высокую разрешающую способность при обнаружении наличия и вида жидкости, простого в изготовлении и надежного в эксплуатации волоконно-оптического сигнализатора уровня и вида жидкости, принцип действия которого основан на измерении изменения величины светового потока, вызванного отражением Френеля и эффектом полного внутреннего отражения излучения от границы раздела двух сред с разными показателями преломления и свободного от недостатков прототипа.

Будем рассматривать волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости как оптический преобразователь с амплитудной модуляцией излучения, функция преобразования которого меняется скачком.

Применим принцип единства преобразователей.

Согласно принципу единства оптический преобразователь рассматривается на модели соединения двух световодов. Оптическая схема сигнализатора отражает взаимодействие двух световодов (фиг.1): один световод имеет постоянный показатель преломления n₁ и является реальным, другой световод имеет переменный показатель преломления n и символизирует наличие разных контролируемых жидкостей.

Согласно [4] математическое описание модели выражается формулой:

(1)

(2)

где k - коэффициент преобразования оптического преобразователя,

x - поперечное смещение осей световодов,

a - радиус световода с показателем преломления n_1,

r - радиус световода с показателем преломления n,

Z - продольное смещение световодов,

NA - числовая апертура световодов.

В общем случае r=a+ztgq, где sinq=NA.

В рассматриваемом случае отсутствуют все виды рассогласований световодов, и выражение (1) принимает вид (2).

Технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом сигнализаторе уровня и вида жидкости, содержащем источник и приемник излучения, размещенные в оптоэлектронном модуле, и световозвращающий световод, последний выполнен из волоконного световода, входной торец которого оптически связан с источником излучения, а выходной торец, контактирующий с контролируемой средой, является чувствительным элементом определителя вида жидкости. Оптическая связь с источником излучения выполнена соединением входного торца волоконного световода с излучателем. Оптическая связь волоконного световода с приемником излучения выполнена соединением изгиба световода с этим приемником. Выходной торец световода механически связан с наконечником для отвода жидкости. Для достоверности установления наличия и определения вида жидкости, а также для увеличения разрешающей (обнаружительной) способности сигнализатора применен волоконный световод, обеспечивающий на боковой поверхности нарушение условия полного внутреннего отражения. Чувствительный элемент волоконного световода, состоящий из торца и боковой поверхности, обеспечивает одновременное выполнение двух физических эффектов: френелевское отражение излучения и полное внутреннее отражение излучения на границе раздела двух сред.

Простота в изготовлении и надежность в эксплуатации обеспечены простотой и надежностью световозвращающего световода, который представляет собой волоконный световод, серийно выпускаемый промышленностью.

Волоконно-оптический определитель вида жидкости (фиг.2) контролирует жидкость 1 и содержит волоконный световод 2, входной торец 3 которого оптически связан с источником излучения 4; выходной торец 5 световода 2 контактирует с жидкостью 1, механически связан с наконечником для отвода жидкости 6 и является чувствительным элементом определителя, с которого сигнал измерительной информации поступает через изгиб 7 на приемник излучения 8; источник 4 и приемник 8 излучения размещены в блоке обработки измерительной информации (на фиг.2 не показан).

Практика применения сигнализатора показала, что для надежного и достоверного функционирования сигнализатора необходим такой конструктивный элемент, как наконечник для отвода жидкости с поверхности торца световода, являющегося чувствительным элементом сигнализатора. При отсутствии такого элемента на торце световода после контакта остается капля жидкости. Возникает ложный сигнал о наличии жидкости на данном уровне в резервуаре. Следует отметить, что капля образуется на световодах не всех размеров диаметра. На световодах кварц - кварц диаметром 50/125 мкм капля не образуется. На световодах диаметром 144 мкм, 200 мкм фиксация капли носит неустойчивый характер. При диаметрах световода 400 мкм и выше на торце световода образуется устойчивая капля контролируемой жидкости. Поэтому необходимы дополнительные меры для обеспечения отвода этой капли из зоны измерения. Для этого были применены наконечники, выполненные из тонкой нити, проволоки или металлической пластины. Такие наконечники при наличии механической связи с торцом, контактирующим с контролируемой жидкостью, достаточно уверенно освобождали торец от капель, обеспечивая достоверность результатов контроля и надежную работу сигнализатора.

Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости работает следующим образом. Излучение от источника 4 через входной торец 3 попадает в световод 2. Распространяется по нему до выходного торца 5 и излучается в окружающее пространство. Однако излучение величиной приблизительно в четыре процента от введенного, согласно Френелю, в соответствии с формулой (2) отражается от выходного торца 5, представляющего собой границу раздела двух сред (материал сердечника световода n₁ / окружающая среда n₀), и по тому же световоду 2, излучаясь с регулярного изгиба световода 7, направляется на приемник излучения 8. Описанный процесс происходит, когда выходной торец 5 находится в воздухе (фиг.3), т.е. вне контролируемой среды 1. В этом случае выходной сигнал сигнализатора постоянен во времени и имеет наибольшую величину (фиг.4). Как только выходной торец 5 световода 2 попадает в контролируемую среду 1 (например, жидкость с показателем преломления n₂) (фиг.2), френелевское отражение исчезает (в той или иной степени) и отраженное излучение отсутствует. Величина выходного сигнала падает (фиг.4). Падение выходного сигнала говорит о касании торца волоконного световода поверхности жидкости. Величина падения говорит также о виде жидкости. Для увеличения достоверности обнаружения наличия жидкости и определения ее вида при дальнейшем поднятии уровня жидкости в резервуаре (фиг.5) идет процесс уменьшения выходного сигнала сигнализатора из-за излучения энергии в окружающее пространство, вызванное нарушением полного внутреннего отражения на боковой поверхности волоконного световода. При этом на графике наблюдается линейное уменьшение величины выходного сигнала (фиг.4). При прекращении контакта между жидкостью и торцом световода (понизился уровень жидкости в резервуаре) жидкость по наконечнику 6 стекает с поверхности торца и сигнализатор посылает сигнал сначала об уменьшении уровня, а затем и об отсутствии жидкости в месте установки торца волоконного световода. На графике наблюдаем изменения выходного сигнала в обратном порядке.

Приведем количественные параметры сигнализатора, выполненного на основе кварц-полимерного волокна, диаметром ⌀ 400 мкм, который образует волоконно-оптический преобразователь с внешней модуляцией, длиной 15 м; излучателя АЛ-107, фотоприемника ФД-24 К, разъемных оптических соединителей (на чертеже не показаны). Наконечник для отвода жидкости выполнен из проволоки диаметром 150 мкм длиной 2 см.

При отсутствии контакта с жидкостью (водой), т.е. при нахождении торца световода в воздухе на фотоприемник поступало излучение мощностью 69-71 нВт. При контакте с водой мощность излучения составляла величину 31-29 нВт. Повышение уровня умешало сигнал до 18-20 нВт.

Волоконно-оптический сигнализатор показал измерительную достоверность, 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.

3. RU №2327959 C2, G01F 23/292, 31.07.2006 г.

4. RU №2178902 C2, G02B 6/26, 27.08.1998 г.

Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости, содержащий источник и приемник оптического излучения, размещенные в блоке обработки измерительной информации, и световозвращающий световод, отличающийся тем, что световозвращающий световод выполнен из волоконного световода, входной торец которого оптически связан с источником излучения, а выходной торец, механически связанный с наконечником для отвода жидкости, и боковая поверхность волоконного световода являются чувствительным элементом сигнализатора уровня и вида жидкости, при этом приемник излучения оптически связан со световодом через изгиб световода.