УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ, ОСНОВАННОЕ НА ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ В НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ

Полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники и может применяться для измерения уровня жидкостей в нефтегазовой отрасли и химической промышленности.
Известны:
1) измеритель уровня жидкости (авт.св. РФ № 2150088, кл. G01F 23/26, опубл. 12.10.1998), состоящий из емкостных цилиндрических датчиков уровня, включающих коаксиальные цилиндрические электроды.
Недостатками данной конструкции являются недостаточная надежность и низкая помехозащищенность к воздействию случайных помех.
2) Электрооптическая информационно-измерительная система контроля уровня жидкости (авт.св. РФ № 161789, кл. G01F 23/26, опубл. 10.05.2016), содержащая коаксиальный конденсатор с центральным электродом в виде круглого стержня и полый цилиндрический электрод, которые изолированы друг от друга с помощью электроизоляционной крышки. Источник оптического излучения в виде лазерного диода излучает когерентный луч света, который после прохождения через поляризатор становится плоскополяризованным. Конденсатор последовательно соединен с измерительной схемой, выполненной в виде ячейки Поккельса, электроды которой образуют последовательную цепочку с электродами коаксиального конденсатора. Изменение напряжения на электродах ячейки Поккельса способствует преобразованию коэффициента преломления плоско-поляризованного луча света. На выходе из кристалла результатом суммирования колебаний по составляющим будет эллиптический поляризованный свет. Часть энергии выйдет из прибора через анализатор - это энергия колебаний, имеющих плоскость поляризации, параллельную заданной анализатором. Фотодиод преобразует попавший на его фоточувствительную область луч света в электрическое напряжение, которое обрабатывается микроконтроллером, содержащим усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, а полученные данные выводятся на жидкокристаллический индикатор.
Недостатком данной конструкции является низкое быстродействие.
Задачей полезной модели является создание нового устройства для измерения уровня жидкости с достижением следующего технического результата: повышение быстродействия.
2
Указанная задача решается тем, что в устройстве для измерения уровня жидкости, основанном на электрооптическом эффекте в нематических жидких кристаллах (НЖК), содержащем коаксиальный конденсатор с изолированными друг от друга электродами, соединенными последовательно с измерительной схемой, согласно полезной модели измерительная схема выполнена в виде жидкокристаллической ячейки, представляющей собой многослойную конструкцию из пластины токопроводящего стекла и пластины кристалла-фотопроводника сульфида кадмия CdS, на которые прикреплены электроды из двуокиси олова SnO, при этом между пластинами помещена смесь нематического жидкого кристалла n-н-бутил-n'-гептаноила-оксибензол + n-метоксибензилиден-n-бутиланилин.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения уровня жидкости, основанного на электрооптическом эффекте в нематических жидких кристаллах, на фиг. 2 представлена экспериментальная электрооптическая жидкокристаллическая (ЖК) ячейка, на фиг. 3 представлены зависимости: а) оптического сигнала от напряжения для различных величин засветки пластины фотопроводника; б) фазовой задержки от напряжения, величины засветки пластины фотопроводника (в процентах).
В данной структурной схеме (фиг. 1) используется коаксиальный конденсатор, электроды которого соединены с ЖК-ячейкой. Он выполнен в виде полого цилиндрического электрода 1 и центрального электрода-стержня 2, соединен с электродами электрооптической ЖК-ячейки. ЖК-ячейка освещается лазером 3, луч которого сначала проходит через поляризатор 4. Далее свет, прошедший через ЖК-ячейку 5 и анализатор с фотоприемником 6, обрабатывается микроконтроллером 7, в составе которого присутствуют усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а так же микропроцессор. Данные с микроконтроллера поступают на автоматизированное рабочее место оператора, где отображаются на экране 8 монитора в любом удобном виде.
Принцип работы электрооптической системы на нематических жидких кристаллах состоит в следующем: изменение уровня диэлектрической жидкости, находящейся между электродами 1 и 2 коаксиального измерительного конденсатора, вызывает изменение емкости данного конденсатора пропорционально изменению уровня жидкости. Это, в свою очередь, ведет к изменению реактивного сопротивления конденсатора и приводит к изменению падения на нем электрического напряжения.
2
ЖК-ячейка (фиг. 2) представляет собой конструкцию из пластины токопроводящего стекла 9 и пластины кристалла-фотопроводника CdS 10. На пластины прикреплены электроды 11 из двуокиси олова SnO. Применение CdS обусловлено тем, что он является фотопроводником, и его проводимость можно изменять с помощью света различной интенсивности. Между пластинами помещалась смесь 12 нематического жидкого кристалла n-н -бутил-n'-гептаноила-оксибензол + n-метоксибензилиден-n-бутиланилин.
-6
Использование в предлагаемой системе ЖК-ячейки дает увеличение быстродействия и точности измерений, что стало возможным благодаря сильно выраженному ориентационному эффекту в жидких кристаллах, время релаксации которого 10 с.
α
Поскольку у нематика диэлектрическая проницаемость ε≈0, то его можно считать полубесконечным при условии, что при толщине жидкого кристалла z→∞ угол наклона молекул ЖК θ→0.
С учетом параметра дальнего порядка
10
-1
где S - параметр порядка вблизи поверхности при отсутствии поля, h - толщина жидкого кристалла, , т.е. распределение дипольного момента p уменьшается от электрода вглубь жидкого кристалла, как , b=-1/δ, δ~λ - эффективная глубина существования поверхностной поляризации,  и  - константы, где , k - коэффициент упругости, E - напряженность электрического поля.
Уравнение состояния нематического жидкого кристалла будет иметь вид:
-λz
Введем обозначения y=η(ξ), ξ=e, получим уравнение:
,
его решение
.
, ,
а
далее при <<1, получаем для изменения показателя преломления
(1)
т.е. изменение показателя преломления ЖК зависит от приложенного напряжения электрического поля прямо пропорционально.
Используя экспериментальные результаты зависимости интенсивности прошедшего через ЖК-ячейку света (длина волны 550 нм) от приложенного напряжения (фиг. 3а), были получены зависимости фазовой задержки и величины засветки пластины фотопроводника от напряжения (фиг. 3б), которые демонстрируют линейный характер изменения двойного лучепреломления ячейки согласно формуле (1). Именно этот обнаруженный линейный электрооптический эффект лежит в основе предлагаемого устройства для измерения уровня жидкости.