Оптический уровнемер

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 870 А Ж 1 Г 23 51) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(1 ю ,:.м " .),", ф Е У.".", ,Р,А ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ институтВ,М.ДубоИзобретение относит ной технике и может быть измерения уровня жидкихЦель изобретения - и сти. ся к измерит ьиспольэованод я сред.овышение точнопредставлена схема предлагаства; на фиг. 2 - графики эавиости фаз при одном отражении ия светового луча для различпоказателя преломления жидник 1 излучею пластину 3, окса, блок 5 го-цифровой ьное устройво содержитор 2, прозпараметрключей,ель 6, вычи тисточ рачну ов Ст анало слител раработает следующим АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1265485, кл. 0 01 Г 23/26, 85.Авторское свидетельство СССРМ 1182288, кл, б 01 1 1/24, 84.Авторское свидетельство СССРМ 640137, кл. 6 01 Л 4/04, 75.Авторское свидетельство СССРМ 1221496, кл, 6 01 Р 23/28, 84. На фиг. 1емого устройсимости разнот угла паденныхзначенийкости.Устройстния,поляризаизмеритель 4электронныхпреобразоватство 7.Устройст(57) 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 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 (А) и параллельную ( И ),При распространении излучения пластине 3 - световоду изменяется ампл туда и фаза излучения, Амплитуда затуха1613870 по экспоненциальному закону с коэффициентом затухания, практически равным нулю.Фаза 1 и составляющих излучения изменяется скачком при отражениях от гра ницы пластины - световода 3 следующим образом:(2)15 если Яо - Я 1О, тоЕ =2 ди =2 агст- ) сопо 2,и Я 1 если Яо - Я 1О, то Е = нице раздела и направлн 1 - показатель и вода 3;по - показатель пр Зная величины Е и Еи, определяемзначение набега разности фаз д в угле 0 -360 о.Из формулы 5 следует, чтоСО 8 дЯ 2+агссо 82 Е ЕЯг2 ЕИ ЕТаким образом определяется значение 50 дв пределахО - 360. При отсутствии жидкостирегистрируется величина набега разности фаз (по отношению к данному значению до и ведется отсчет набега фаэ при наличии жидкости). При появлении жидкости с показателем 55 преломления п 2 (большим,чем у воздуха) значения д 1 уменьшаются для отражений луча от границы световод - жидкость.Величина изменения фазы при одномотражении при появлении жидкости где д- скачок фазы 1 составляющей;д и - скачок фазы н составляющей;а - угол между перпендикуляром к граением падения луча; реломления светоеломления окружающей среды.Разность фаз 1 и 1 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:Я Е 2 1 Е 2 (3) Я 1=Е И-Е (4)Я 2 = 2 ЕЕ исо 8 д, (5) Яз=2 ЕЕ и 8 пд, (6) где Е, Е и - усредненные по времени знаМения составляющих электрического поля;д - разность фаз между составляющими;ЯО - интенсивность;Я 1 - параметр преимущественной горизонтальной поляризации;Я 2 - параметр преимущественной поляризации под углом +45 о;Яз - 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 и Е Е =ЯО-Е И . (7)Подставив значение Е в формулу 4, получаемЯ 1= Е и-Яо+ Е . (8) Тогдаеп=%+, р)2) ) )Во+3 ро)Проанализировав значения подкоренных выражений в формулах.9 и 10, определяем действительные значения Е 1 и Е и; если Яо+ Я 1О, то Еи - Яо + Я 1 сли Яо+ Я 1О, то Еи: Я о + Я 12Лд =д - О ),где д 1 - разность фаэ ).и П составляющихпри одном показателе полного внутреннегоотражения от границы раздела световод -жидкость,М =М-д.,) 11(пО и Ж)д=д(по = пж), 10где д 1 - разность фаз 1 и И составляющихпри одном полном внутреннем отраженииот границы раздела световод - воздух;д=д- О-15д и= д 11 (по = и в),Д =О (по =п),На фиг. 2 приведены графики зависимости разности фаз при одном отражении отугла падения светового луча на границу раздела а для различных значений показателя преломления жидкости. Таким образом,с ростом уровня жидкости величина общегонабега разности фаз с ветоводе 3 уменьшается по отношению к набегу разности фазпри отсутствии жидкости. Наименьший набег разности фаз (НРФ) - при наибольшемуровне жидкости,При возрастании уровня жидкости значение набега разности фаз по отношению к 30доможет многократно превышать 360 О. Следовательно, возможно неоднозначное истолкование результатов измерения уровня.Для устранения неоднозначности испульэуется специально разработанные алгоритмобработки результатов измерения параметров Стокса. Неоднозначность устраняетсярегистрацией и учетом всех переходов че рез 360 и через Оо.Переход через 360 регистрируется следующим образом: если д (д,где д - текущее значение сдвига фаз;д -- предыдущее значение сдвига фаэ,то уровень жидкости увеличивается или приуменьшении уровня жидкости произошелпереход НРФ через 360. Таким образом,если д 1 ди (А - 1 -- )-А О,тозк2произошел переход Н РФ через 360 и числоэтих переходов увеличивается на единицу(число переходов через 360 снизу), Увеличение числа переходов через 0 на единицуозначает уменьшение числа переходов чеез 360 на е инир А цу55Переход через 0 регистрируется следующим образом: если д ) д -1, то,уровеньгде и - уровень жидкости в резервуаре;- длина световода;Ь - общий набег фаз между 1 и 11 составляющими;д - толщина пластины - световода; Лд 1 - 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, поляоизатор, прозрачную пластину и вычислительное устройство, причем источник излучения оптически связан с входом поляризатора, выход которого оптически связан с верхним торцом пластины, о т л и ч а ю щ и й с я 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- (13)Лгде Ь - расстояние между двумя соседними показателями полного внутреннего отра- жения1613870 д бРИббВВ Ю 74 7 В 7 В В 0 В 3 ВС Ю ВВ Уд офФиг.ю Составитель А,ПротопоповРедактор С.Лисина Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцо аз 3886 Тираж 531 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 оизводств зд,йаа