Гидростатический оптоволоконный датчик уровня жидкости с позиционно-чувствительным детектором
HYDROSTATIC FIBER-OPTIC LIQUID LEVEL SENSOR WITH POSITION-SENSITIVE DETECTOR

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения уровня жидкости, в том числе пожаро- и взрыво-опасных жидкостей.
Известно устройство, для непрерывного измерения уровня жидкости, основанное на измерении гидростатического столба жидкости, содержащее чувствительный элемент в виде сильфона, компенсатор плотности, включающий поплавок постоянного погружения, закрепленный на двух дополнительных сильфонах между двумя кронштейнами, оптоэлектронный преобразователь малых перемещений, преобразователь импульсов в код, блок обработки информации, два блока памяти и блок индикации. (А.С. СССР №1809317, 1993.04.15).
Предлагаемое устройство является дополнительным к А.С. СССР №1809317.
Задачей изобретения является создание надежного и простого в эксплуатации искро-, взрыво-безопасного устройства для измерения уровня жидкости в реальном времени технологического процесса.
В соответствии с поставленной задачей предлагаемое устройство для измерения уровня жидкости содержит чувствительный элемент в виде сильфона, компенсатор плотности, включающий поплавок постоянного погружения, закрепленный на двух сильфонах, между двумя кронштейнами, отличающееся тем, что в данный поплавок встроен оптический триангуляционный датчик, включающий в себя свето-излучающий диод (лазер), формирователь импульсов излучения, коллиматор ИК-излучения, два оптических разъема, приемную линзу, оптоволоконный кабель, оптоволоконный плоский шлейф, позиционно-чувствительный детектор (ПЧД), усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
На фиг. 1 представлена функциональная схема гидростатического оптоволоконного датчика уровня жидкости с ПЧД.
На фиг. 2 иллюстрация работы оптического триангуляционного датчика.
Гидростатический  оптоволоконный датчик уровня жидкости с ПЧД содержит кронштейны 1 и 2, крепящиеся к стенке емкости 3, уровень жидкости в которой измеряют, к кронштейнам одними концами закреплены сильфоны 4 и 5, другие концы которых герметично укреплены на поплавке 6, в поплавке 6, часть которого показана в разрезе, встроен оптический триангуляционный датчик малых перемещений 7, к нижней стороне кронштейна 2 крепится сильфон 8, в корпус оптического триангуляционного датчика крепятся оптический разъем 9 и оптический разъем 10, к разъему 9 подключается оптоволоконный кабель 11, а к разъему 10 подключается оптический плоский шлейф 12, вход оптоволоконного кабеля 11 соединен со светоизлучающим  диодом (СИД) 13, вход СИД 13 соединен с выходом формирователя импульсов излучения 14, вход которого соединен с выходом блока управления и обработки информации 15, выход оптоволоконного шлейфа 12 подключен к позиционно-чувствительному детектору (ПЧД) 18, выход которого подключен к входу усилителя 19, выход которого подключен к входу АЦП 20, выход которого подключен к цифровому входу блока 15, первый выход блока 15 соединен с блоком памяти 16, второй выход соединен с блоком алфавитно-цифровой индикации 17, оптический триангуляционный датчик малых перемещений 7, включает в себя коллиматор 21, соединенный с оптическим разъемом 9, приемную линзу 22 отраженного, от днища сильфона 8, луча ИК-излучения.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
При заполнении емкости 3 жидкостью, уровень которой измеряется, последняя гидростатическим столбом Н оказывает давление по всей эффективной площади измерительного сильфона 8, днище которого будет в результате перемещаться, при этом будет меняться угол отражения, падающего на днище сильфона 8, луча ИК-излучения, проходящего через приемную линзу 22 оптического триангуляционного датчика.
Работа триангуляционного датчика  иллюстрируется на фиг 2.
Принцип действия триангуляционного датчика 7 основан на геометрических свойствах треугольников. Излучения от СИД 13, точка А, работающего в ближней ИК-области спектра излучения, проходя через оптоволоконный кабель 11 и через линзу коллиматора 21, формирует луч В с малым углом отклонения. Луч В представляет собой импульс длительностью 0,7 мС, который пересекает поверхность С в точке D. Если поверхность С не является зеркалом, то свет будет рассеянно отражаться во всех направлениях в виде полусферы вокруг точки D. Если расположим линзу или объектив в точку Е, так чтобы оптическая ось линзы  пересекала поверхность С в точке D, все лучи проходящие через линзу Е будут в той или иной степени сфокусированы в точке F в зависимости от типа и свойств приемной оптики. Расстояние ЕF зависит от расстояния DE и фокусного расстояния линзы. Если поверхность С переместить вверх на новую позицию , то пучок света В будет рассеяно отражаться вокруг точки . Так как линза Е остается на прежнем месте, отраженный свет будет сфокусирован где-то в направлении продолжения линии . Используя формулу линзы, положение этой точки может быть рассчитана с высокой степенью точности. На фиг. 2 новое положение изображения обозначено буквой . Если переместить поверхность С вниз на позицию  (расстояние ), получим новое положение изображения в точке . Когда поверхность (днище сильфона 8) перемещается из положения  в положение , отраженный и сфокусированный свет переместится из точки  в точку . Для того, чтобы измерить перемещение поверхности (днища сильфона 8) при помощи измерения перемещения точки F применяется позиционно-чувствительный датчик, который располагается вдоль прямой , в данном устройстве для решения задачи искробезопасности, вдоль прямой  расположены оптические входы плоского оптоволоконного кабеля шлейфа 12, входы которого подключены к оптическим входам позиционно-чувствительного детектора 18 (ПЧД).
ПЧД работает на принципе фотоэффекта. Световое пятно, перемещающееся по чувствительной зоне, ПЧД преобразует в одномерный сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта. Расстояние между электродами  и  равно S, а соответствующее этому расстоянию сопротивление .
x
0
Предположим, что луч попадает на поверхность ПЧД в зону расположенную на расстоянии  от электрода . Сопротивление между электродом  и точкой падения луча соответственно равно . Фотоэлектричесикй ток I генерируемый при попадании луча на поверхность детектора, пропорционален интенсивности излучения.
Поскольку зависимость сопротивления от расстояния является практически линейной, то можно определить токи
Для исключения зависимости выходных токов от фотоэлектричекого тока (а следовательно и от интенсивности света) найдем отношения токов:
тогда
Обращаясь к фиг 2 и решая задачу с двумя подобными треугольниками получим расстояние:
где   - фокусное расстояние приемной линзы.
Подставляя в (4) уравнение (3), получим зависимость между расстоянием  и отношением выходных токов
где  - величина перемещения днища сильфона 8 под действием гидростатической силы жидкости.
k - геометрическая константа модуля.
Зависимость (5) является линейной.
Одновременно под действием выталкивающей силы поплавок 6 совместно с оптическим триангуляционным датчиком 7, перемещается на сильфонах 4,5 пропорционально плотности жидкости, тем самым осуществляется компенсация величины перемещения днища сильфона 8 под влиянием изменения плотности жидкости.
b
L
Так как перемещение днища сильфона 8 пропорционально уровню жидкости, то для получения показателя уровня нужно величину L умножить на коэффициент пропорциональности K
Таким образом, предложенное устройство исключает недостатки прототипа, повышает надежность, за счет отсутствия электрических элементов в зоне измерения, а так же повышает искровзрывобезопасность и позволяет применять его в различных пожароопасных средах.