УРОВНЕМЕР (ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ
FIBER-OPTIC LEVEL GAUGE (LIQUID LEVEL SENSOR)

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение для измерения уровня жидких топлив и сжиженных газов, в т.ч. в нестационарных объектах.
Известны датчики уровня жидкости для бака транспортного средства, содержащие поплавок, установленный в нем магнит, нижний и верхний ограничители хода поплавка, вертикальную направляющую трубу, внутри которой расположены герконы, и электросоединитель.
Примером может служить датчик уровня жидкости для бака транспортного средства (патент РФ № 2284481).
Однако такое устройство является пожароопасным вследствие наличия электрических цепей, по сути, в баке транспортного средства, и не всегда надежным, т.к. в сигнальных проводах могут возникать наводки - как от собственных силовых сетей, так и от стороннего электромагнитного излучения. К недостаткам также можно отнести также дребезг контактов геркона, хрупкость стеклянного баллона и высокую чувствительность к внешним магнитным полям.
Известны волоконно-оптические датчики уровня жидкости, лишенные этих недостатков. Примером может служить волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости (патент РФ № 2297602), в котором используется эффект отражения на границе раздела сред - стекла и воздуха. Часть оптического сигнала от излучателя, подводимого в измеряемую емкость оптическим волокном, отражается на границе раздела и возвращается по оптическому волокну к фотоприемнику. При подъеме уровня жидкости до сенсорной части датчика границей раздела сред становятся стекло и жидкость, коэффициенты преломления которых близки. Уровень возвратного сигнала резко падает и перепад фиксируется.
Однако такие датчики неработоспособны в непрозрачных средах и в вязких средах, например, в мазуте, в переохлажденном дизельном топливе, когда на сенсорной части подобных датчиков застывают пленки или формируются капли загустевшей жидкости.
Цель изобретения - создание надежного пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для широкого диапазона измеряемых жидкостей, в том числе вязких и непрозрачных.
Это достигается тем, что в предлагаемом датчике световод, расположенный вне емкости с жидкостью, отделен от поплавка герметичной немагнитной перегородкой, по разные стороны которой расположены ферромагнитные элементы, причем хотя бы один из них является постоянным магнитом и хотя бы один соединен с поплавком, торец световода оптически сопряжен с элементом, имеющим отражающую поверхность, с возможностью их взаимного перемещения, при этом ферромагнитный элемент вне емкости механически сопряжен с одним из элементов пары «световод - отражающий элемент».
Варианты исполнения:
Ферромагнитные элементы, расположенные по разные стороны перегородки, выполнены в виде постоянных магнитов со встречно расположенными полюсами.
Ферромагнитные элементы, расположенные по разные стороны перегородки, выполнены в виде постоянных магнитов с продольно расположенными полюсами.
Вне емкости расположен пружинный элемент, связанный хотя бы с одним из элементов пары «световод - отражающий элемент»
Напротив отражающей поверхности расположен один приемопередающий световод, противоположный торец которого состыкован с оптическим разветвителем, или два световода - передающий и приемный.
Световоды, одиночные или парные, сопряженные с элементами, имеющими отражающую поверхность, с возможностью их взаимного перемещения, распределены по высоте емкости по числу точек отсчета.
Оправа подвижного световода выполнена из ферромагнитного материала, или отражающая поверхность расположена на подвижном ферромагнитном элементе.
На Фиг. 1 показано размещение деталей одного из вариантов конструкции уровнемера, предельного датчика уровня.
На Фиг. 2 приведена оптическая схема предельного датчика уровня с использованием одного световода и разветвителя.
На Фиг. 3 приведена оптическая схема предельного датчика уровня с использованием двух световодов.
Фиг. 1. Датчик содержит поплавок 1, установленный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. В торце поплавка закреплен магнит 2. За герметичной немагнитной перегородкой 3 расположен волоконно-оптический узел, включающий стандартную оптическую розетку 4 с включенным в нее коннектором 5, содержащим световод 6. Деталь 7 с отражающим торцом, оптически сопряженным со световодом 6, и противоположным торцом, на котором закреплен магнит 8, имеет возможность перемещения вдоль оптической оси световода между пружиной 9 и гайкой 10.
Предельный датчик уровня работает следующим образом: при подъеме уровня жидкости поплавок 1 всплывает, и магнит 2, взаимодействуя с магнитом 8, смещает его вдоль оптической оси вместе с деталью 7, сжимающей пружину 9, в сторону торца световода 6. Оптический сигнал из торца световода 6, отраженный от торца детали 7 обратно в световод 6, при уменьшении расстояния между световодом 6 и отражающей поверхностью увеличивается, достигая максимума в крайнем верхнем положении поплавка 1. При снижении уровня жидкости пружина 9 снова отжимает деталь 7 до упора в ограничивающую движение гайку 10.
Фиг. 2. Оптическая схема на базе разветвителя и приемопередающего световода: излучатель 11 (например, светодиод или лазерный диод), передающий световод 12, направленный оптический разветвитель 13, приемопередающий световод 6, отражающая поверхность 7, приемный световод 14, фотоприемник 15.
Фиг. 3. Оптическая схема на базе двух световодов: излучатель 11 (например, светодиод или лазерный диод), передающий световод 12, отражающая поверхность 7, приемный световод 14, фотоприемник 15.
Установка двух (например, параллельных) световодов в такой схеме снижает уровень отраженного сигнала вследствие рассогласования их оптических осей, но позволяет отказаться от разветвителя в оптической схеме.
Рассмотренные аналоги работают только в режиме "да-нет", фиксируя либо контакт оптической поверхности с жидкостью, либо момент срабатывания геркона. В отличие от них, мощность оптического сигнала в предложенной схеме по мере приближения к отражателю всплывающего поплавка с магнитом изменяется, что является сверхэффектом, позволяющим путем простого умножения предложенной схемы превратить предельный датчик в уровнемер с постоянным съемом сигнала по мере изменения уровня жидкости.
Предлагаемая конструкция позволяет повысить пожаробезопасность и надежность датчика уровня жидкости путем замены электрического сигнала на оптический как в самой емкости с топливом, так и на всем пути до приемопередающего блока.