Оптический уровнемер

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 78331 19 601 Е 2 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ЗОБРЕТЕНИЯ ПИСАНИ ЕТЕЛЪСТ ОРСКОМ 47 итехнический институт ,Рева 13870, кл. 601 Р 23/28(57) Изобретение позволяет расширить функциональные возможности и повысить точность измерения уровня жидкости, Сущность изобретения: при сканировании Я и(21) 4910583/10 (22) 19,02.91 (46) 23.12.92. Бюл. (71) Винницкий по (72) Н.П.Байда и Р (56) А,с. СССР М 1990 г. дефлектором 2 внутреннего пространства световода 4 изменяются параметры поляризованного излучения, распространяющегося по световоду 4, которые определяются измерителем параметров Стокса 5, с выходов которого сигналы через ключи 6 и . аналого-циФровой преобразователь 7 поступают на вычислительное устройство 8, которое по заданному алгоритму вычисляет значение уровня жидкости",а т".кже определяет угол, под которым излучение от источника 1 через дефлектор 2 вводится в световод 4. 2 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких сред,Известен оптико-электронный дискретный оптический уровнемер, содержащий источник света фотоприемник и световод, установленный на пути отраженного от жидкости пучка, Недостатком устройства является индикацйя одного или нескольких уровней жидкости, что ограничивает область егб применения, и зависимость результатов ЙГмереййя от незначительных флуктуаций поверхности.Известно также устройство, содержащее источник оптического излучения, световод в виде плоско-параллельной пластины из оптически прозрачного материала и фотоприемник. Свет распространяется по световоду благодаря полным внутренним отражениям (ПВО). Излучение выходит из пластин в точках контакта с контролируемой жидкостью, показатель преломления которой ниже показателя преломления световода. Недостатком устройства является ограниченный диапазон измерения за счет потерь излучения при нарушении условия ПВО с появлением жидкости.Наиболее близким к предлагаемому оптическому уровнемеру является оптический уровнемер, содержащий источник оптического излучения, поляризатор, прозрачную пластину, измеритель параМетров Стокса (ИПС), электронные ключи, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислительное устройство (ВУ), Поляризованное излучение, распространя 1 ощееся в прозрачной пластине под заданным углом, для которого условие ПВО выполняется при контакте пластины и с воздухом, и с жидкостью. При ПВО поляризованного излучения от границ световод-воздух и световоджидкость скачки фаз между параллельной и перпендикулярной границе пластины составляющими различны, Значение уровня определяется по величине набега разности фаз между параллельной и перпендикулярной составляющими излучения. Однако описанное устройство работоспособно только при изменении уровня от нулевого значения, если до начала измерений в сосуде находилась жидкость; то показания оптического уровнемера могут не соответствовать истинному значению уровня, т.к. возможен набег разности фаз свыше 2. Кроме того, в процессе измерения уровня не учитывается влияние изменения показателя преломления контролируемой жидкости, которое может иметь место как при изменении состава контролируемой жидкости, так и при изменении температуры, Цель изобретения - повышение точности,Укаэанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее источник излуче 5 ния, поляризатор, прозрачную пластину,ИПС, электронные клачи, АЦП и ВУ дополнительно введены блок управления углом отклонения излучения дефлектором (БУД) и дефлектор оптического излучения (Д); Вы 10 ход источника излучения оптически связан со входом дефлектора, выход которого оптически связан со входом поляризатора, выход которого оптически связан с входным торцом пластины, выходной торец пластины оптически связан со входом ИПС, а четыре выхода.ИПС связаны со входами электронных ключей, выходы которых связаны со входами АЦП, выход которого связан со входом ВУ, выход которого связан с выходами электронных ключей, а второй выход которого связан со входом БУД, выход которого связан со вторым входом Д. За счет введения дефлектора, один вход которого оптически связан со входом источника излучения, а выход - со входом поляризатора, а также блока управления углом отклонения излучения, вход которого связан с одним из выходов вычислительного устройства, а выход - со входом дефлектора стало возможно повышение точности измерения за счет учета флуктуаций значения показателя преломления жидкости при обработке результата измерения разности фаз электрических составляющих излучения вычислительным устройством,На фиг.1 представлена схема предложенного устройства; на фиг.2 - ход лучей в пластине на - 1, и + шагах изменения угла ввода излучения в прозрачную пластиная пластина, 5 - ИСП, 6 - электронные ключи, 7 - АЦП, 8 - ВУ, 9 - БУД. Выход ИИ 1 связан с первым входом Д 2, выход которого оптически связан со входом поляризатора 3, выход которого оптически связан с выходным торцом прозрачной пластины 4, выходной торец прозрачной пластины, далее именуемой световод 4, оптически связан со входом ИПС 5, а четыре выхода ИПС связаны со входами электронных ключей 6, выхо 50 ды которых связаны со входами АЦП 7, выход которого связан со входом ВУ 8, первый выход которого связан с выходами электронных ключей, а второй выход которого связан со входом БУД 9, выход которого связан со вторым входом Д 2,Устройство работает следующим образом,40 ну(световод), Для фиг.1: 1 - источник излучения (ИИ), 2- дефлектор, 3- поляризатор, 4- прозрач(3) между соводе изме- света. Для и света исИз формуллиЯо Я(О,то Е если Яо ни соста тавляющи сли Яо+ Я 1 Яо+ Я иЯо,т 2 Электромагнитные волны оптического диапазона от ИИ 1 поляризуются поляризатором 3 попадают на дефлектор 2, который направляет излучение в световод 4 Излучение распространяется по световоду 4 благодаря ПВО световод - воздух. Условйе ПВО сохраняется и при переходе излучения в часть световода, граничащую с жидкостью, Показатель преломления жидкости должен быть меньше показателя преломления световода. Электромагнитная волна в свето- воде может быть разложена на две составляющие по отношению к границе раздела световод - внешняя среда: перпендикулярную (3,) и параллельную (И),При распространении излучения по световоду изменяется амплитуда и фаза излучения. Амплитуда затухает по экспоненциальному закону с коэффициентом затухания практически равным нулю,фаза Х и 11 составляющих излучения изменяется скачком при отражениях от границы световода следующим образом; где д 1- скачек фазы 3. составляющей;ди - скачек фазы 11 составляющей;а- угол между перпендикуляром к границераздела и направлением падения луча;п - показатель преломления пластины; по - показатель преломления окружающей среды;Разность фаэ 1 исоставляющих при одном ПВО определяется выражениемд =ди-д При изменении сдвига фазставляющими излучения в светоняется состояние поляризацииописания состояния поляризаципользуют параметры Стокса.+ Е гЯ = Е - ЕЯг = 2 Е . Еи соз д;Яз 2 Е .Еи 31 п д,где Е 1, Еи-усредненные пооремляющие электрического поля;д - разность фаз между сос ми;Яо - интенсивность;Я 1 - параметр п реимуществен ной горизонтальной поляризации; Яг - параметр преимущественной поляризации под углом +45 О;Яз - параметр преимущественной правоциркулярной поляризации,5 Выходящее из световода излучение направляется на ИПС (5),в качестве которогоможет быть использован, например, измеритель, описанный.в а,с, М 640137, На выходе ИПС (5) снимаются напряжения,10 пропорциональные параметрам Стокса.Электрический сигнал через ключи (б) поступает на АЦП (7). Сигналы на АЦП (7) служатвходной информацией для ВУ (8), АЦП (7)преобразует аналоговое напряжение с вы 15 ходов ИПС(5) в цифровую форму, необходимую для вводу в ВУ (8), которое управляетпериодически замыканием ключей (б), реализуя тем самым поступление изменившихся (если это иэменейие произошло)20 сигналов на вход АЦП (7). В ВУ (8) определяется по параметрам Стокса значение уровняжидкости и выдается команда на БУД (9),задающий угол под которым дефлектор вводит излучение в световод, В простейшеМ25 случае в качестве дефлектора может бытьиспользован, например, дефлектор на основе отражающих (преломляющих) призм Ребрин Ю.К, Управление оптическим лучом в. пространстве, - М.: Сов. радио, 1977, БУД в30 этом случае, может быть реализован на основе шагового двигателя .По параметрам Стокса значение д определяется в следующем порядке. Из формул4 и 5 определяются значения Е и Е:35Ег=Яо-Еиг.(8)Подставив значение Ев формулу 4;г40 Я 1= Ег - Яо+ Е, (9)тогда К - оо +, (1 О)2(13) Ь= (д 1 - М )бт 9 а Далее по определенным величинам Е 1 и Еи определяется набег разности фаз д в угле О - 2 лИэ формулы б следует, чтосоз д (12)2 Еи Е 1Из формулы 7 следует, чтоз 1 п д= (1 3)2 ЕПЕДалее по значениям соз д и з 1 п д определяется величина д в угле О - 2 ю если соз д О и з 1 п д О, тод- агссозЗг2 ЕПЕ 1если соз д О и з 1 п д О, тод = - агссоз + 2 л.Бг2 Еи Е 1если созО и з 1 п д: О, тод ж агссоз 1 1Яг2 ЕЕиеслисозд Оиз 1 пд .О,тод = и+ агссоз 1 1.Зг2 ЕПЕВ момент включения устройства световод может быть частично. погружен в жидкость. Поэтому излучение вводится в световод под углбм а 1, для которого имеет место. лишь одно отражение от границ световода таким образом, чтобы точка отражения делила пластину на равйые части. Затем, если отражение произошло от границы пластина - воздух угол ввода излучения меняется таким образом, чтобы точкой, в которой отражается излучение, делилась пополам часть пластины между точкой отражения в предыдущем случае и выходном торцом,Угол ввода излучения на 1-том шаге определяется иэ выражения где 1 - длина пластины; .б - толщина пластины;(2 - 1) - количество отражений светового луча от границы пластины на 1-ом шаге. Для каждого угла ввода излучения определяется набег фаэ Ь для отражений излучения от границы световод - воздух при помощи формул (1) и (2) где дй - скачок фазы П составляющей приПВО от границы световод-воздух; д - скачек фазы 1 составляющей приПВО от границы световод - воздух.Поскольку количество отражений излучения от границы световода изменяется от шага к шагу(от 1 - 1 к), то на каком-то шаге будет иметь место одно отражение от границы раздела световод-жидкость (остальные отражения, если они имеют место, будут от границы световод-воздух). Измерив значе- "О ние общего набега фаз на 1-том шаге Ь исравнив его Ь , можно сделать вывод о наличии жидкости в сосуде. Если Ь = Ь 1, то значит еще не произошло отражения излучения от границы световод-жидкость и выполняется 1+ 1 шаг и т.д.ЕслиЯ - Ь 1 дюпгде дав - скачок фаз междуна, и П составляющими при одном отражении световод жидкость для жидкости с наименьшимизмеряемым показателем преломления пью.Значение до,о определяется для а =а и По = Пв 1 п.25 Если при проверке неравенства (15)- ( Ь2 л и 0Ю ( - , (от Ь и Ь)2 2отбрасываются части, кратные 2 ж, то значение 1 Ь- Ьопределяется следующим 30 образом:2 к-Ь+Ь. Выполнение неравенства (15) означает, что имеет место отражение от границ световод-жидкость и уровень жидкости находится между этой точкой отражения (она ограничивает значение 35 .уровня жидкости) и точкой отражения световод-воздух находящейся выше на рассто- .янии бщ аьПолученное значение изменения фазыпри одном отражении от границы световод жидкость обозначим дп. д 1 =1 М - Ь 1 =Я - д где д - разность фаз 1 и П составляющих 5 при одном ПВО от грайицы раздела световод-жидкость для а = а 1, по " пж д 1 - разность фаэ 1 и П составляющих при одном ПВО от границы раздела световод-воздух 50фдля а =а, по = пв. Так какдц=ди - дДи д 1= =дги -д,где ди,ди- скачек фазы П составляющих для а =а и по = п, а = а и по - п соответственно; ду, ду-скачек фазы 1 составляющих для а = й, и по " пж,а = а 1, и по = п соответственно, то решив трансцендентное уравнение вЬду =2 агсс 9) созй о осительно з еля прел жидкости. Пос мальный возм составляющим участок свето произошло от вод-жидкость контактироват ляется для угла углу, ар выб- агсзи -пж и я излучения деляется из выраизменения углфлектора.Значение.жения отклонеЬ апре 16 ыраж+1 3 1) (д 1,+1 гр45 пж получим. значение покаомления контролируемой . ле этого определяется максиожный набег фаэ Ьпах между и исходя из того, что весь вода, выше точки в которой ражение от границы свето- , величиной бщ а может ь с жидкостью, Ьпах опреде, соответствующего рабочему 20 ирается из условия: ар=.где а- минимальный шаг Ь.,-да Ьд, ( )ЭХ где Ьд 1 = д - д для угла ар.ЕСЛИ Ьах2 2 Г, та ИЗЛУЧЕНИЕ ВВОдИтСя в световод под углом ар. Значение уровня жидкости определяется в этом случае следующим образом. По измеренным зйачениям . параметров Стокса определяется значение общего набега разности фаэ Ьдля данного значения уровня жидкости в пределах угла 0 - 2 л. Кроме того, расстояние от точки в которой имело место ПВО излучения от границы световод-жидкость до выходного торца световода при угле ввода излучения а 1 (при аотражений от границы световода с жидкостью не было) составляети = йдЯНабег разности фаз на этом участке определяется по формуле (16). Если значение Ь определенное по измеренным значениям параметров Стокса меньше значения разности фаз на участке вычисленного по формуле (16), то значение уровня жидкости определяется по формуле Ь+2 к+1 кбеар где К - количество набегов разности фаз по 2 (в данком случае К = 0),В противном случаеЬ+2 1 л6=1бтд арЕсли Ьаах ) 2 й, то излучение вводится в световод под углом, для которого расстояние между точкой, в которой имело место ПВО от границы световод-жидкость (т,А см, фиг.2) и соседней (т, В см. фиг.2), в которой имело место ПВО от границы световод-воздух, делится пополам точкой (т. С см. фиг.2), в которой происходит ПВО (излучения, распространяющегося под углом Ф+ 1).Далее производится измерение параметров Стокса и по ним в ВУ определяется значение набега разности фаз Ь+.1 между составляющими при отражении от границы световод-жидкость по отношению к отражениям световод-воздух при угле распространения а+1. Значение Ь +1 определяется в угле 0 - 2 к, Затем вычисляются значения набега разности фаз Ь + 1 (в пределах О 2 л) при угле распространения излучения а 1+1 для уровней жидкости.п 1 и пг(см, фиг.2) выше и киже точки С. В этих случаях количество отражений излучения от границы световод-жидкость различается на единицу. Поэтому значения 6+1 для уровней жидкости й 1 и пг определяются соответственно из Значения Ь+1.(п 1) и Ь+1(п 2) представляются в виреЬ+1(М= д(Ь)+21(Ь)к,Ь+1(Ьг) = (Ь 2) + 2 К 0 и) й,еО д(Ь 1) 2 и0 д(пг)2 лК(М), Цйг) - количество набегов разности фаз между составляющими по 2 я,Далее значение Ь 1+ 1 сравнивается созначением Ь+ 1(пг) в пределах угла 0 - 2 кЕсли будет выполняться равенства Ь+1== Ь+ 1(ь 1), то следовательно поверхностьжидкости находится между точками А и С(см. фиг.2), если Ь +1= Ь+1(ьг), та поверхность жидкости, находится между точкамиС и В. Далее снова определяется значениеЬспх на участке (АС) = (СВ) для угла распро-странения излучения ар. Если Ьп2 к,то значение уровня жидкости определяетсяследующим образом. Излучение вводится всветовод под углом ар и по измеренным па(18) 50 55 измерения. Дяя устренения неоднознечн раметрам Стокса определяется значение набега разности фаз Ь для данного значения уровня жидкости в пределах угла 0 - 2 д Кроме того, расстояние от точки, в которой имело место последнее ПВО излучения от границы световод-жидкость для последнего угла ввода излучения (в данном случае а+ 1) до выходного торца световода состав- ляет Набег разности фаз на этом участке со- ставляет А+1 щ а+1 д 1, р - д 1, р(д 1,+1 - д 1, +1 ) с 9 ар где индексы р и 1+ 1 обозначают рабочий ипоследний из углов ввода излучения в световод,Если значение Ь в пределах угла 0 - 2 определенное по измеренным значениям параметров Стокса меньше значения Ьрв пределах 0-27 г, то значение уровня жидкости определяется по формуле где Ер - количество набегов разности фаз между составляющими по 2 ж на участке контакта световода с жидкостью длинойЬ+1 бт 9 а+1при распространении д 1, +1 - д 1, +1излучения под углом ар .В противном случае Если Ьпах2 й, то повторяются действия предыдущего цикла до тех пор пока не будет выполняться неравенство Ьвах2 л Одйако, расчеты проведенные для реальных значений показателей преломления свето- вода и жидкостейдиапазона измерения уровня показывают, что достаточно двух циклов с определением Ьпх, если же2, то достаточно и одного цикла определения Ьаах После выхода на рабочий режим измерения уровня жидкости (угол распространения излучения ар) Ь - в пределах угла 0-2 г, При возрастании уровня жидкости значение набега разности фаз может превышать 2 к, Следовательно; возможно неоднозначное толкование результатов сти используется специальный алгоритм обработки результатов измерения параметров Стокса, который позволяет зарегистрировать и учесть все переходы через.2 к и 5 через О. Переход через 2 ж регистрируетсяследующим образом:если Д Ь -1,гдеЬ - текущее значение набега разностифаз в угле 0-2 й;10 Ь- 1 - предыдущее значение набегаразности фаз в угле 0-2 ж,то уровейь"жидкости увеличивается, или при уменьшении уровня жидкости произошел переход набега разности фазчерез 2 "5 к. Таким образом, если Ь (Ь - 1 и(Ь-.1 -- ) - ЬО, то произошелЗл2переход набега разности фаз через 2 жи число таких переходов (Ер из формул 17 и 18) увеличилось на единицу. Увеличение числа переходов через 0 на единицу означает уменьшение числа переходов через 2 йна единицу.Переход через 0 регистрируется следующим образом,если Ь ( Ь -1, то уровень жидкости уменьшается или при увеличении уровня жидкости произошел переход набега разности фаз через О. Если, кроме предыдущего условия выполняется и условие (Ь 1 - ) -Ь -1О, то произошел переЗи2ход набега разности фаз через 0 и следова- .тельно значение кр уменьшилось на единицу.Таким образом уровень жидкости определяется по общей формуле: где 1. - длина световодаЬ - значение набега разности фаз между составляющими в угле 0 - 2 й;Е - количество набегов разности фаз между составляющими по 2;б - толщина световода;а- угол между перпендикуляром к границе световод-окружающая среда и направлением падающего луча (угол ввода излучения).Значение уровня жидкости выводится для визуального наблюдения. При этом ВУ управляет включением электронных ключей (замыкает их) и на ВУ поступает новая информация об уровне жидкости, Периодически, с целью учета влияния показателя преломления жидкости на показания измерительного устройства, процесс измерения1783311 13 Составитель Р.Рева Техред М.Моргента едактор Т.Шагов орректор Н.Гуньк аказ 4506 Тираж Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 твенно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 ои уровня начинается с ввода излучения в световод под углом а и с выходом на рабочий режим в соответствии с приведенным выше алгоритмом работы уровнемера.(рормула изобретения Оптический уровнемер, содержащий источник оптического излучения, поляризатор, световодную пластину, измеритель параметров Стокса, блок электронных ключей, аналого-циФровой преобразователь и вьччислительное устройство, при этом источник оптического излучения оптически связан с входом поляризатора, выход которого оптически связан с верхним торцом пластины, нижний торец которой 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 пер вый, второй, третий и четвертый выходыблока электронных ключей подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом вычис лительного устройства, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точности, в него введены дефлектор и блок управления углом отклонения дефлектора, при этом источник излучения связан с поляризатором 15 через дефлектор, вход блока управления углом отклонения дефлектора додключен к выходу вычислительного устройства, а выход - к входу дефлектора.