Датчик уровня среды

(5) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ОБРЕТЕНИ ОПИС ОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТ ВНЯ СРЕД 810/10.92, Бюл, %29чно-исследовательский и ность очник блок 3 свето 5 фо(57) Суцтитут жит ист(56) АвторсМ 11504 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК епчицкое свидетельство ССС, кл, 8 01 Г 2322, 1983. датчик содерьсный генераия светового увствительный электронныи изобретения; света; импул формирован розрачный ч оприемник 8 л,5 10 Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может использоваться в системах контроля уровня среды, а также для фиксации изменения состава среды,Известны датчики уровня жидкости(или других сред), построенные на различных физических принципах поплавкового типа, емкостного типа, датчики, реагирующие на изменение электропроводности среды, датчики с оптоэлектронным входом, реагирующие на поглощение или рассеяния среды.Недостатками этих датчиков являются низкая чувствительность и сложность конструкции,Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее .оптический датчик уровня, имеющий оптически последовательно установленные и согласованные источник излучения, передающее оптическое волокно, чувствительный элемент (первичный преобразователь), приемное оптическое волокно и приемник излучения, причем чувствительный элемент, выполненный из светопрозрачного материала, имеет рабочую поверхность в виде двух зеркально симметричных частей,. образованных вращением отрезков логарифмических спиралей вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центрыих торцов, а центры спиралей совмещены с центрами торцов оптических волокон, формулы, по которым рассчитывается тело чувствительного элемента в зависимости от угла падения светового потока на рабочую поверхность, приведены., Недостатками прототипа являются сложность конструкции чувствительного элемента и. невозможность измерения уровня различных сред.Целью изобретения является расширение области применения.Поставленная цель достигается тем, что в качестве чувствительного элемента датчика применено светопрозрачное тело, герметично.закрепленное в окне корпуса, ограниченное по крайней мере с одной из сторон, внутренней или внешней, выпуклой криволинейной или многогранной поверхностью, у внутренней поверхности которого установлены источник света и фотоприемник и через которое источник направляет световоЮ поток во внешнюю измеряемую среду. Внешняя поверхность светопрозрачного тела, являющаяся границей раздела с измеряемой средой, выполнена так, что при контакте ее с оптически менее плотной из сред световой поток, однократно или многократно отразившись от границы раздела,20 25 30 35 40 45 50 отклоняется в обратном направлении и, покинув светопрозрачное тело, попадает на вход фотоприемника, при контакте с оптически более плотной из сред световой поток, пройдя сквозь прозрачное тело и не отразившись оего внешней поверхности, рассеется в измеряемой среде, не засветив чувствительную поверхность фотоприемника. Достигается это тем, что угол падения светового потока вдоль главной оптической оси на внешнюю поверхность светопрозрачного тела по величине. больше предель- ного угла полного отражения при контакте поверхности с оптически менее плотной из сред, но меньше предельного угла полного отражения при контакте с оптически более плотной из сред. Если оптически более. плотная из сред будет оптически,:более плотной и для вещества светопрозрачного тела, то угол падения светового потока должен быть больше предельного угла полного отражения для контакта с оптически менее плотной из сред, но меньше 90 д. При наличии на внешней поверхности светопрозрачкого тела нескольких последовательных зон отражения светового потока для каждой из зоны должно соблюдаться описанное ограничение угла падения.Такое устройство чувствительного элемента позволяет объединить источник света, фотоприемник и остальные элементы датчика в общем герметичном корпусе, Для уменьшения засветки внешней измеряемой среды между источником света и внутренней поверхностью светопрозрачного тела на главной оптической оси установлено устройство формирования светового потока в виде параксиального пучка (например, канал малого диаметра со светопоглощающим покрытием внутренней поверхности, диафрагма, линза). Предлагаемый чувствительный элемент отличается высокой эффективностью, изменение фазы среды вызывает изменение величины электрического сигнала фотоприемника в 100-500 раз. (см, акт испытанйй), что пдзволяет существенно упростить устройство датчика (исключается второй фотоприемник с его оптической связью, из электронного блока исключается устройство сравнения, упрощается схема электронного ключа), Уменьшение расхода электроэнергии достигается тем, что источник света (световод) питается от импульсного генератора тока большой скважности.На фиг, 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства и его функционирование при контакте с оптически менее плотной из сред; на фиг. 2 - функционирование предлагаемого устройства при кон1753286 10 тела с внешними измеряемыми средами 7,гд. если контакт осуществляется с оптиче 30 50 1 пр.11 пр.2,такте с оптически более плотной из сред; на фиг. 3 - 5 - призма; на фиг. 6 - конус; на фиг,7 - усеченный конус; на фиг, 8 и 9 - сегмент цилиндра; на фиг, 10 - линза; на фиг. 11. - . сфера; на фиг, 12 - дуга прямоугольногоили круглого (1) сечения и разрез А - А.Устройство работает следующим образом.Источник 1 света (фиг, 1) в целях повышения экономичности питаемый от импульсного генератора 2 тока большой скважности, через устройство 3 формирования светового потока направляет тонкий луч 4 сквозь светопрозрачное тело 5 чувствительного элемента, герметично установленное в окне корпуса 6, под определенным углом на внешнюю поверхность, которая является границей раздела светопрозрачного ски менее плотной из сред, световой поток отражается в обратном направлении, и покинув светопрозрачное тело, попадает на чувствительную площадку фотоприемника 8, вырабатывающего при этом электрический сигнал, который поступает на вход интегрирующей цепи 9, преобразующей импульсный входной сигнал в выходной уровень постоянного напряжения, управляющий состоянием электронного компаратора 10 с мощным выходом, С выходакомларатора сигнал поступает на внешнееисполнительное устройство,При контакте внешней поверхности светопрозрачного тела с оптически более плотной из сред (фиг. 2) световой поток 4, пройдя сквозь светопрозрачное тело 5 и не отразившись от внешней поверхности, рас,сеется в измеряемой среде, при этом чувствительная площадка фотоприемника 8 останется не засвеченной, электрический сигнал на вход компаратора 10 не поступит на выход его примет другое устойчивое состояние.Для реализации описанного режима работы величина угла падения, образованного главной оптической осью светового потока и перпендикуляром к внешней поверхности светопрозрачного тела; воСстановленным в точке падения, имеет следующие ограничения.Если вещество светопрозрачного тела является оптически более плотным для всехизмеряемых сред, то формула имеет вид. где- угол падения светового потока навнешнюю поверхность светопрозрачного. тела,епр.1, пр,2 - ПрЕдЕЛЬНЫй УГОЛ ПОЛНОГОотражения при контакте с оптически менееи более плотной из сред,Если оптическая плотность всех измеряемых сред больше или равна оптическойплотности вещества светопрозрачного тела,работа датчика невозможна, так как внешняя поверхность светопрозрачного тела несможет приобрести зеркальных свойств.В зависимости от свойств, закладываемых в датчик, угол падения выбирают ближек одному или другому уровню ограничения,Например, чтобы датчик фиксировал нетолько появление жидкости, но и тумана,5 росы угол падения выбирают вблизи что)описывается формулой1 пр.11напр.2Повышая помехоустойчивость датчика кросе, туману, запыленности и чувствитель-,ности только на появление жидкости, формулу видоизменяюти р,1пр.2,что значительно увеличит отражательнуюспособность внешней поверхности свето 5 прозрачного тела.Дополнительно повысить стойкость кзапотеванию и запыленности можно. нанесением гидрофобного и антистатическогопокрытия.Для повышения устойчивости датчика кзасветкам из внешней среды светопрозрап.ное тело можно изготовить из вещества,прозрачного только для рабочего участкаспектра источника света, или перед фото 5 приемником поставить соответствующийсветофильтр; Для этой цели между входомфотоприемника и светопрозрачным телбмна главной оптической оси может быть установлено устройство, пропускающее свето 0 вой поток только определенногонаправления, например, канал малого диаметра со светопоглощающим покрытиемвнутренней поверхности,Геометрическая форма светопрозрач 5 ного тела может быть различной и определяться свойствами, которыми долженобладать датчик, и доступностью технологии изготовления,Формула изобретенияДатчик уровня среды, содержащий последовательно установленные и оптическисогласованные источник света, светопрозрачный чувствительный элемент, фотоприемник и электронный блок,.о т л и ч а ю щ и 5 й с я тем, что, с целью расширения областиприменения, в него введен блок формирова. ния светового потока, вход которого оптически связан с источником света, а выход - счувствительным элементом, выполненным ввиде сегмента цилиндра.каз 2759 ВНИИП изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул Гагарина, 101 Тираж сударственного комитета 113035, Москва, ЖПодписноеобретениям и открытиям при ГКНТ СССРРаушская наб., 4/5