ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ И ТИПА ЖИДКОСТИ
FIBER-OPTIC LIQUID LEVEL AND TYPE DETECTOR

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления.
Известны способы контроля датчиками уровня жидкости с использованием электрических схем. Примером может служить датчик уровня жидкости для бака транспортного средства (патент РФ №2284481).
Однако применение такого способа 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.
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 оптическим волокнам 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. Такой датчик позволяет определять не только уровень жидкости, но и ее тип: например, вода и керосин имеют разные показатели преломления и соответственно, разные коэффициенты френелевского отражения на границе сред. Конструкция чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости обладает высокой искровзрывобезопасностью.
Однако датчики такого типа обладают определенными эксплуатационными недостатками. Разность мощности френелевского отражения невелика, поскольку невелик и сам сигнал - 4% от вводимой мощности излучения для границы кварц-воздух. Для стационарных датчиков, работающих в нормальных условиях, это приемлемо, а датчики подвижных объектов, в частности летательных аппаратов, должны работать в условиях резких перепадов температур (-60…+85°С), вибрации и т.д. При этом дрейф сигнала на сигнальных волокнах может превышать разность сигналов от френелевского отражения на границе двух сред, что неприемлемо.
Известны также волоконно-оптические датчики уровня жидкости с приемным и передающим световодами, например а.с. SU 1275220. В этом случае излучение выходит из одного световода и принимается другим. Поскольку апертурный угол выходящего из световода излучения различен для воздуха и жидкости, различна и мощность принимаемого сигнала. Меняется апертурный угол и при смене жидкостей с различными показателями преломления, поэтому такую схему тоже можно использовать для определения типа жидкости. Однако и эта схема имеет тот же недостаток: т.к. разность показателей преломления жидкостей невелика, невелик и перепад мощности сигнала, в ряде случаев сопоставимый с погрешностью измерений.
Цель изобретения - создание пожаробезопасного и помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости и ее типа. Это достигается тем, что датчик содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения, передающий волоконный световод, чувствительный элемент, приемный волоконный световод и фотоприемник, подключенный к блоку обработки сигнала, при этом чувствительный элемент выполнен в виде установленных соосно в оправе с зазором двух отрезков волоконных световодов, оптически согласованных соответственно с передающим и приемным волоконными световодами.
Датчик дополнительно содержит внеосевые приемные световоды, расположенные в одной плоскости с передающим. Свободный торец передающего световода чувствительного элемента выполнен со скосом относительно его оптической оси, при этом плоскость скоса перпендикулярна плоскости расположения оптических осей приемных световодов, а расстояние между соосным приемным световодом и последующими является функцией рабочей длины волны излучения, апертурных углов световодов для измеряемых сред, угла скоса торца передающего световода и расстояния между передающим и приемными световодами.
Несоосные приемные световоды могут быть расположены к оптической оси передающего под углом, не превышающим апертурный угол световода для соответствующей его положению среды.
Заявленные признаки являются существенными.
Когда торец датчика находится, например, в керосине, апертурный угол передающего световода минимален и практически соосен его оптической оси, он захватывает осевой приемный световод, который выдает сигнал на свой фотоприемник. В воде апертурный угол больше и больше отклоняется от оси, поскольку показатель преломления воды существенно меньше. Сигнал фиксируется либо на осевом и на части удаленных (внеосевых) приемных световодов и соответствующих им фотоприемниках, либо только на части удаленных. В воздухе апертурный угол наибольший, и отклонение луча от оси максимально. Сигнал фиксируется периферийными световодами и фотоприемниками. Таким образом, датчик, бывший аналоговым для уровня жидкости и аналоговым для ее состава, становится по сути цифровым ("да-нет") и для уровня, и для состава жидкости. Для летательных аппаратов надежное разделение по типу жидкости особенно важно, поскольку ложное срабатывание датчика в топливном баке (наличие конденсатной свободной воды вместо керосина на замеряемом уровне) может привести к катастрофе из-за нехватки топлива.
На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов конструкции.
Датчик состоит из передающего световода 1, приемных световодов 2, 3, 4, источника излучения 5 и фотоприемников 6, 7, 8, подключенных к блоку обработки сигнала (не указан). Свободный торец световода 1 выполнен со скосом относительно его оптической оси. Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.
На Фиг. 2 показано прохождение излучения для варианта конструкции.
Апертурный угол для среды 1, например, керосина 9. Засвечен световод 2.
Апертурный угол для среды 2, например, воды 10. Засвечен световод 3.
Апертурный угол для среды 3, например, воздуха 11. Засвечен световод 4.
Возможны варианты схем, например, большее количество приемных световодов в каждой зоне.