Волоконно-оптический уровнемер

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИ 11РЕСПУБЛИН 19) 111 А О 1 Р 23(22 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ФОБРЕТЕНИЯ"ИСАНИ НИДЕТЕЛЬСТВ АВТОРСКОМ ическии тво ССС 2, 1976 о СССР22, 1980.(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для непрерывного контроля уровня жидкости. Цель изобретения - повьппение надежности работы устройства. С этой целью в волоконно-оптическом уровнемере, содержащем последовательно соединенные источник излучения 1, волоконно-оптическую линию2 передачи информации, чувствительный элемент 3 и приемник излучения4, волоконный световод чувствительного элемента 3 выполнен с изме(4) и( едп Ц = сопее сечение свето 1 ядпЮ= --пде Я. Сл (1 ст и реннего отражения няющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала. Значение показателя преломления уменьшается снизу вверх в соответствии с определенными соотношениями, При наличии в резервуаре жидкости для части светового излучения от источниканарушится условие полного внутреннего отражейия на границе световод -Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для непрерывного контроля уровня жидкостей в резервуарах.Целью изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности устройства.На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого уровне- мера; на фиг,2 - характер изменениязначения показателя преломления вдоль чувствительного элемента; на фиг,3 - функция преобразования уровнемера при контроле уровня различных жидкостей,В предлагаемом устройстве используется явление увеличения угла конуса распространения лучей в световодес уменьшающимся вдоль оптической оси показателем преломления, а также зависимости числа лучей (а, соответственно, интенсивности) от показателпреломления контролируемой жидкости и ее уровня.В световоде с постоянным сечением8 инварианта Штраубеля записываетсяследующим образом; п - показатель преломления;П - угол распространения лучас оптической осью световодаПусть в начале чувствительного элемета показатель преломления равен п(0)п, а угол распространения - П.едовательно, согласно выражения) на расстоянии х от начала чувтельного элемента для произведеи (х) ядп П(х) можнозаписать(х) ядп П(х) = пядп П, (2 жидкость, что приведет к изменениюинтенсивности светового потока, приходящего к приемнику 4. Благодаряизменяющемуся вдоль оптической осипоказателю преломления материаласветовода угол конуса световых лучейпо мере их движения вдоль чувствительного элемента монотонно возрастает. 3 ил. 2 где п(х) - показатель преломления в точке х чувствительного элемента; П(х) - угол распространения луча 5 с оптической осью в точке х.Определим, в какой точке х чувствительного элемента, луч вошедший в него под углом с оптической осью 10 П , покинет чувствительный элемент из-за нарушения условия полного внутреннего отражения. Синус угла падения на границу раздела световод - ср вдпЫ = сов П(х) 15 п 2С другой стороны едп 6 = --п(х) ф, где пд - показатель преломления окружающей среды.Следовательно Подставим значение ядп ц(х5 жения (2) ыразим из выражения (4) едп Анализ выражения (5) показывает,что с увеличением расстояния х от начала чувствительного элемента, т,е.с уменьшением п(х), так как п(х) уменьшается снизу вверх с увеличением х, уменьшается ядп Ц (х), определяющий конус световых лучей на входе 40 в чувствительный элемент, для которых выполняется условие полного внут(12) Изменение интенсивности распространяющегося потока 1 пропорционально изменению яп Б(х), величина котороаго определяет конус световых лучей, на входе для которых выполняется условие полного внутреннего отражения. Следовательно 1(х) = К ягп П (х),(б) где К - коэффициент пропорциональностиЧувствительность устройства Б опд 1(х) ределяется из соотношения БЙх С целью линеаризации функции преобра зования требуется, чтобы 2 Ьи 1Ьп Ь Таким образом, с учетом выражений(11) и (14) изменение показателя преломления вдоль оптической оси х чувствительного элемента определяется выражением Я = --- = сопяП (х)(15) так как с увеличением х происходит 20 уменьшение 1(х).С учетом выражения (5) и (6) выражение для Я можно записать следующим образом: или(16) п(х) = и,При выполнении чувствительногоэлемента с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления, определяемом выражением (16), интенсивность светового излучения по мере 30движения лучей вдоль чувствительного элемента уменьшается равномерно, что обеспечивает линейную функцию преобразователя устройства и постоянную чувствительность по всему диапазону измерения. Я = -= К - -(яп Б (х сП (х) Й дх Йх К й-- и (х) = - Ы. пг Йх Выражение (8) можно представить ввиде= и, (значеения в нижней элемента). Сдля постоянной 50 остоянн е аничных усли х = Оп(0 ля преломлительного жен ми распространения которых на выходечувствительного элемента пройдут через световод чувствительного элемента без потерь, т.е, все лучи, углыраспространения которых на входеУо с с (Ь) пройдут световод чувствительного элемента без потерь. Видно,что яп Б (Ь) определяется как параметрами самого чувствительного элеп ечка чувствительи, - п, где див зателя преломлеэлементае п(Ь) в выражеП т) элемента но об зменение Йок ия чувствительного Подставим значен ние сиЬизг образом. П нию показа точке чувс учетом выр с имеем Подставим выражение (16) в (5) яг.п П (Ь)= -- и1 го5 12803 мента (и, Ь и), так и параметрами окружающей среды (и ).Если окружающая среда воздух с иг = 1, то выражение (19) примет следующий вид: 5 взди Б(2)(21) В дальнейшем будем рассматривать только те лучи, которые на воздухе ,проходят чувствительный элемент без потерь, так как именно эти лучи (и изменение их количества) несут информацию об изменении уровня жидкости.Если окружающая чувствительный элемент среда имеет показатель преломления игъ 1, то интенсивность светового потока 1, прошедшего чувствительный канал без потерь, определяется выражением 30 2 ьи и, (1 --- ) - 1 и(22) Изменение уровня жидкости 1 приводит к тому, что в большинстве случаев чув-ствительный элемент бывает частично погружен в жидкость. В этом случае величину и надо заменить на некотогрый эффективный показатель преломления и,который учитывает показатель 4 О преломления контролируемой жидкости и ее уровень,Так как сечение световода чувствительного элемента есть величина, то для иэ можно записать соотношение 4 2 Ьи(28) 5Выражение (26) является математической моделью предлагаемого устройства. Анализируя выражение (26),можно сделать вывод, что с увеличением уровня жидкости 1 относительный 5 О сигнал на выходе чувствительного эле-.мента уменьшается, так как уменьшается числитель выражения.Схема устройства (фиг.1) состоитиз источника излучения 1, волоконно 55 оптической линии 2 передачи информации, чувствительного элемента 3, выполненного из световода с изменяющимсявдоль оптической оси показателем преломления,приемника излучения 4.Чувст(и - и)- - +и )Н в ф(24) Соответственно интенсивность светового потока, прошедшего чувствительный элемент без потерь, на нарушениеусловия полного внутреннего отражения определяется согласно выражениюи =и 2+и (Ь. - )1эрр Ф а уровень жидкости;.показатель преломления жидкостипоказатель преломления воздуха.и =1,то и = (и - 1) - -+1 эу ) Ь 29 6При 1 = Ои = 1 что соответствуетэ р Фнахождению чувствительного элемента на воздухе, при 1 = Ьи = и, что соответствует полностью погруженному в жидкость чувствительному элементу.С учетом выражений (22) и (24) интенсивность света, прошедшего частично погруженный в жидкость с и чувствительный элемент, можно определить выражением 1(й) = - , и(1 -- )-(и -1)- + 1К 2 Ьи К г 1 ии Ь )(25) где 1 - уровень жидкости или протяженность прогруженного в жидкость участка чувствительного элемента.Соответственно, относительное (к сигналу на воздухе 1 ) изменение сигОнала (интенсивности светового потока) на выходе чувствительного элемента определяется соотношением При полностью погруженном в жидкость чувствительном элементе сигнал на выходе чувствительного элемента должен быть отличным от О, иначе чувствительность в верхней точке диапазона измерения будет очень малой.Это значит, что при 1 = Ь числитель выражения (26) должен быть больше О Выражая из этого неравенства д и,получим7 12803 вительный элемент 3 закреплен в корпусе 5 и помещен в резервуар 6, в котором происходит контролируемое изменение уровня жидкости.Выносными линиями АА обозначены границы чувствительного эЛементадлиной Ь, Стрелками с цифрами показаны соответствующие значения показателя преломления чувствительногоэлемента в точках с х = 0; О, 25 Ь; 100,5 Ь; 0,75 Ь; 1,0 Ь.Устройство работает следующим образом.Световое излучение от источника 1.посредством волоконно-оптической линии 2 передачи информации подводитсяк чувствительному элементу 3 с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления. Пройдя чувствительный элемент 3, световое излучение посредством волоконно-оптической линии передачи информации попадает на приемник излучения 4, сигналкоторого контролируется измерительными приборами. 25В отсутствие жидкости сигнал навыходе чувствительного элемента определяется только теми лучами, длякоторых по всей длине чувствительного элемента 3 выполняется условие 30полного внутреннего отражения (выражение (21. Число лучей, прошедшихчувствительный элемент, постоянно,соответственно постоянна и интенсивность светового потока 1 (21), пав 35дающего на приемник излучения,При появлении жидкости с показателем преломления и1, для частилучей нарушается условие полноговнутреннего отражения на границе световод - жидкость и они покидают чувствительный элемент и выходят в жидкость. Соответственно изменяется интенсивность светового потока, падающего на приемник излучение, что фик сируется измерительными приборами.Так как чувствительный элемент выполнен с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления, причем уменьшение преломления проис ходит снизу вверх, то угол конуса световых лучей по мере их движения вдоль чувствительного элемЕнта монотонно возрастает. Следовательно, для каждого участкачувствительного эле мента имеются световые лучи,для которых при погружении этого участка чувствительного элемента нарушается условие 29 Яполного внутреннего отражения. Поэтому при увеличении уровня жидкости световые лучи покидают чувствительный элемент постепенно, по мере нарушения для них условия полного внутреннего отражения на границе чувствительный элемент - жидкость. Соответственно происходит уменьшение интенсивности светового потока, падающего на приемник излучения, что фиксируется измерительными приборами. При уменьшении уровня жидкости число лучей, прошедших чувствительный элемент, возрастает, что приводит к увеличению интенсивности светового потока , падающего на приемник излучения что также фиксируется.измерительными приборами.На фиг.2 цифрой 7 показан характер изменения показателя преломления вдоль чувствительного элемента. Цифрой 8 для сравнения показана линейная зависимость. На фиг.З показаны зависимости относительного изменения тока фотодиода от относительного изменения уровня жидкости 1 П, = й(1 Ь) или функция преобразования устройства; цифрой 9 показана зависимость для воды(и = 1,38). Анализ зависимостей,изображенных на фиг,З, показывает,что при контролировании уровня бензина функция преобразования линейна,а для воды и ацетона она близка клинейной,Формула и з обретения 1. Волоконно-оптический уровнемер, содержащий последовательно соединенные источник излучения, волоконнооптическую линию передачи, чувствительный элемент, выполненный в виде световода, и приемник излучения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности работы устройства, чувствительный элемент . выполнен в виде прямолинейного волоконно-оптического световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала свето- вода.2. Уровнемер по п,1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что изменение показателя преломления материала све1280329 товода выполнено снизу вверх в соответствии с соотношениямиГ 2 п хи(х) = и 1и и 56 и- -(1 --- ")2 ипгде и - значение показателя преломления на отметке нижнего контролируемого уровня жидкости; Х1 Р Х 7д.г, Москва, Ж, Подписикомитета СССРи открытийушская наб., д ВНИИП 113 4/5 Производственно-полиграфическое ДД ог Р,7 Рб 1 Ообщее изменение показателя преломления по длине чувствительного элемента;длина чувствительного элемента;ось координат, совпадающая с оптической осью световода; показатель преломления конт" ролируемой жидкости. г.ужгород, ул.Проектная