СПОСОБ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ И ВИДА ЖИДКОСТИ И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ И ВИДА ЖИДКОСТИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD FOR CONTROLLING LEVEL AND TYPE OF LIQUID AND FIBRE-OPTIC INDICATOR OF LEVEL AND TYPE OF LIQUID FOR IMPLEMENTATION OF THIS METHOD

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. В процессе освобождения световода от жидкости на его торце некоторое время остается истончающаяся пленка жидкости, при этом возникает своеобразное просветляющее покрытие переменной во времени толщины.
Результатом взаимодействия излучения, поступающего по световоду к торцу, с таким покрытием, будет переменный во времени отраженный сигнал, мощность которого зависит от толщины пленки и длины волны излучателя - до полного стекания пленки жидкости, ее полного испарения или стабилизации толщины. Это на несколько секунд, а иногда до минут может задержать получение точного результата. Колебания сигнала могут достигать 5 дБ и более, что на подвижных объектах, например, в топливных баках летательных аппаратов, может быть истолковано как колебания уровня топлива в зоне датчика в результате маневра летательного аппарата или атмосферных возмущений ("болтанки"), в то время, как его реальный расход уже значительно выше. Поэтому такой способ измерения уровня жидкости нельзя признать полностью надежным.
Цель изобретения - создание надежного способа измерения уровня жидкости и пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для осуществления этого способа. Это достигается тем, что при погружении одного из торцов волоконного световедущего элемента в контролируемую емкость, засветке второго торца световедущего элемента и последующей оценке мощности отраженного от погруженного торца сигнала на торец чувствительного элемента по оптическому волокну подают оптический сигнал не менее, чем от двух излучателей с некратными длинами волн излучения, фиксируют отраженный обратно в волокно от торца сигнал, а о результате судят по большему значению мощности отраженного сигнала для заданных длин волн. Возможны варианты этого способа измерения:
1. Сигналы от источников излучения подают на торец волоконного световода последовательно, и так же последовательно оценивают.
2. Сигналы от источников подают параллельно и оценивают смешанный отраженный сигнал.
3. Сигналы от источников подают параллельно, после отражения их спектрально разделяют и оценивают раздельно.
Этим вариантам способов измерения соответствуют различные оптические схемы волоконно-оптических датчиков уровня жидкости, например:
1. Датчик, включающий чувствительный элемент с сигнальным торцом волоконного световода, подводящий волоконный световод, два последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителя, к выходным полюсам первого подключаются источники излучения с некратной друг другу длиной волны излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя, второй выходной полюс второго разветвителя подключен к фотоприемнику, а входной полюс - к подводящему световоду.
2. Датчик, включающий чувствительный элемент с сигнальным торцом волоконного световода, подводящий волоконный световод, два последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителя, к выходным полюсам первого подключаются источники излучения с некратной друг другу длиной волны излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя, второй выходной полюс второго разветвителя подключен к входу оптического демультиплексора, а входной полюс - к подводящему световоду. Выходы демультиплексора подключены к фотоприемникам.
Заявленные признаки являются существенными:
Когда толщина слоя жидкости на торце датчика (по сути - просветляющего покрытия, т.к. коэффициент преломления у многих жидкостей меньше, чем у световода) равняется или кратна 1/4 длины волны излучения, лучи, отраженные от ее наружной и внутренней сторон, гасятся вследствие интерференции и их интенсивность становится равной нулю, т.е. датчик фиксирует ложное срабатывание, показывает наличие жидкости.
Применение других источников с некратными первому источнику длинами волн в этот же момент (или близкий к нему по времени, поскольку, например, смена длины волны может вестись с высокой частотой) обеспечит нормальное срабатывание датчика, поскольку для другой длины волны пленка такой толщины не будет просветляющей, а о результате судят по большему значению отраженного сигнала для заданных длин волн.
Возможна и параллельная засветка торца световода - либо с суммированием отраженных сигналов и их оценкой, либо с их разделением по длинам волн на демультиплексоре и раздельной оценкой по максимальному значению. Эти способы также обеспечат нормальное срабатывание датчика.
На практике потери оптической мощности возвратного сигнала при контакте торца волокна с воздухом составляют 20...22 дБ при последовательном включении излучателей, 17… 19 дБ при одновременном включении излучателей, при контакте с жидкостью - 28…33 дБ в норме; а в том случае, если одна из длин волн дает ложное срабатывание, вторая дает истинное значение, а оценку ведут по суммарному сигналу, потери составляют 20…22 дБ.
На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов конструкции:
Датчик состоит из чувствительного элемента: волоконного световода 1 с сигнальным торцом 2, подводящего волоконного световода 3, двух последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителей 4 и 5. К выходным полюсам первого разветвителя 4 волоконными световодами 6 и 7 подключаются источники излучения 8 и 9 с некратными друг другу длинами волн излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс волоконным световодом 10 подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя 5, второй выходной полюс второго разветвителя подключен волоконным световодом 11 к фотоприемнику 12, а входной полюс - к подводящему световоду 3. Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.
На Фиг. 2 показана схема второго варианта конструкции: Датчик состоит из чувствительного элемента: волоконного световода 1 с сигнальным торцом 2, подводящего волоконного световода 3, двух последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителей 4 и 5. К выходным полюсам первого разветвителя 4 волоконными световодами 6 и 7 подключаются источники излучения 8 и 9 с некратными друг другу длинами волн излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс волоконным световодом 10 подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя 5, второй выходной полюс второго разветвителя подключен волоконным световодом 11 к входу оптического демультиплексора 13, а входной - к подводящему световоду 3. Выходы демультиплексора 13 волоконными световодами 14 и 15 подключены к фотоприемникам 12 и 16 соответственно.
Возможны варианты схем, например большее чем 2, количество излучателей и фотоприемников и иные типы разветвителей, например, направленные разветвители, имеющие более двух выходных полюсов, к которым подключены излучатели и фотоприемник.