ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
FIBRE-OPTIC LIQUID LEVEL DETECTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к полой призме, предназначенной для обнаружения уровня жидкости. Настоящее изобретение также относится к волоконно-оптическому детектору уровня жидкости с полой призмой настоящего изобретения.
Предпосылки создания изобретения
Уровень жидкости в баке можно обнаруживать многими способами, а именно, поплавком, механически или магнитно-связанным с внешним устройством считывания, или устройствами, которые управляют ультразвуковыми/оптическими волнами, или емкостными датчиками. Каждый способ обнаружения имеет достоинства и недостатки.
Криогенные текучие среды, такие как жидкий азот, жидкий кислород, жидкий водород и жидкий гелий, находят широкое применение в промышленности, авиации, космической технологии и научных исследованиях. В большей части этих областей применения изучение динамических свойств криогенных жидкостей во время заполнения или опорожнения больших криогенных баков, а также надежный количественный мониторинг этих текучих сред, когда такие операции совершают при больших расходах, выполняют на активном участке исследования. В частности, измерение уровней криогенного топлива и окислителей в больших баках криогенных систем является актуальной задачей первостепенной важности, особенно в случаях, когда для области применения предусматривается согласованное обнаружение и регламентирование сложных измерительных задач.
Несколько способов обнаружения границы раздела жидкость-пар были использованы для содействия такому измерению уровня. Известные способы обнаружения местоположения границы раздела жидкость-пар основаны на различиях сопротивлений, емкостей, акустических импедансов или вязких демпфирований. Из числа этих способов только емкостные измерительные системы заслуживают серьезного внимания для широкого применения в аэрокосмической промышленности. Однако факторами, связанными с высокой стоимостью, медленной реакцией, большой массой и потенциальной опасностью электрической искры, ставятся несколько вопросов относительно их надежности, особенно при использовании для обнаружения уровней жидкости в топливных баках в аэрокосмической промышленности.
Для разрешения проблем, специфических для обнаружения уровня в топливных баках, имеющих отношение к аэрокосмической промышленности, были предложены различные волоконно-оптические системы. Такие системы обладают многими преимуществами перед обычными способами обнаружения уровня: например, они являются электрически пассивными по природе, гарантируют обнаружение уровня по существу без возникновения искры и не включают в себя движущихся механических частей. Во взрывоопасных условиях, характерных для жидкого водорода и жидкого кислорода, такие особенности способствуют проведению безопасной работы с повышенной эффективностью и пониженным объемом работ по техническому обслуживанию. Кроме того, по сравнению с медными проводами оптические волокна в четыре раза легче на единицу объема и в шесть прочнее. Они не создают и не подвержены влиянию электромагнитных помех, вследствие чего исключается необходимость в экранировании/изоляции, что делает их значительно более легкими по сравнению с электрическими аналогами. Такое снижение веса является крайне важным при применении в авиации и космонавтике. Кроме того, вследствие возрастающей потребности в этих волоконно-оптических системах в промышленности связи они становятся конкурентоспособными в части стоимости. Кроме того, поскольку измерение уровня жидкости этими устройствами основано на принципах отражения/преломления, они предельно облегчают задачу быстрого обнаружения уровня.
Хорошо известные волоконно-оптические системы основаны на устройствах, подобных небольшим призмам полного внутреннего отражения или сферическим линзам, установленным на концах двух оптических волокон, или коническому кончику оптического волокна или U-образному изогнутому оптическому волокну, предназначенным для обнаружения уровня. В зависимости от применения указанным устройствам могут быть присущи несколько ограничений. Например, в таких устройствах интенсивность отраженного света является определяющей при обнаружении света, и она зависит от показателей преломления жидкости, а также материала, используемого для призмы. Поскольку показатель преломления последнего изменяется в зависимости от окружающих условий, указанные устройства, в частности, при использовании для измерения уровня криогенных жидкостей необходимо индивидуально калибровать при каждом рабочем давлении и температуре. Кроме того, эти устройства часто рассчитывают для работы при угле отклонения 180°, что приводит в известной мере к относительному увеличению объема измерительного устройства.
Изготовление таких измерительных устройств включает в себя оптическую полировку по меньшей мере трех или большего количества поверхностей с высокой степенью точности поверхности и поддержание точного отклоняющего угла призмы. Кроме того, положение измерительного устройства относительно световодных устройств является неизменно фиксированным и никакая свобода линейного или углового перемещения не допускается.
В патенте США № 6801678 раскрыт волоконно-оптический детектор уровня с использованием основанного на френелевском отражении датчика жидкости, в котором часть пропускаемого света отражается назад к границам раздела, где показатели преломления являются другими, а интенсивность отражаемого света зависит от показателя преломления волокна и жидкости в соответствии с окружающими условиями.
Преломляющие характеристики сплошных призм не обеспечивают пропускания световых пучков без отклонения. Выходящий световой пучок всегда отклоняется относительно падающего светового пучка независимо от того, где находится призма, в воздухе или погружена в жидкость. Кроме того, в таких призмах при погружении в жидкость величина отклонения зависит от показателя преломления жидкой среды, а также показателя преломления материала, используемого для изготовления призмы. Оба этих фактора делают необходимыми процедуры повторной калибровки и переустановки волоконно-оптических детекторов на основе сплошной призмы всякий раз, когда уровень измеряемой жидкости изменяется или динамически изменяются рабочие условия.
Задачи изобретения
Основная задача настоящего изобретения заключается в создании полой призмы для обнаружения уровня жидкости.
Задача настоящего изобретения заключается в создании полой призмы для обнаружения уровня жидкости, которая имеет характерное, зависящее от окружающей среды преломляющее поведение при наличии светового пучка от источника.
Другая задача настоящего изобретения заключается в создании полой призмы для обнаружения уровня жидкости с непроницаемым призматическим полым пространством, заполненным воздухом или находящемся под вакуумом.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании полой призмы для обнаружения уровня жидкости, при этом процесс обнаружения уровня не зависит от показателя преломления оптического материала, используемого для изготовления полой призмы.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании полой призмы для обнаружения уровня жидкости, в которой уменьшен объем оптического материала, имеющегося в области обнаружения уровня полой призмы.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании полой призмы для обнаружения уровня жидкости, в которой изменения окружающих условий, аналогичных давлению и температуре жидкости, не влияют на преломляющее поведение полой призмы.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании полой призмы для обнаружения уровня жидкости, в которой выходящий световой пучок не отклонен от направления падающего светового пучка, когда полая призма не погружена в жидкую среду.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании полой призмы для обнаружения уровня жидкости, в которой выходящий световой пучок отклонен от направления падающего светового пучка, когда полая призма погружена в жидкую среду.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании полой призмы для обнаружения уровня жидкости, имеющей три степени свободы при линейном перемещении вдоль трех координатных осей и одну степень свободы при вращательном движении вокруг оси z.
Кроме того, задача настоящего изобретения заключается в создании полой призмы для обнаружения уровня жидкости, которая может действовать в жидкой среде как поплавок.
Дальнейшая задача настоящего изобретения заключается в создании волоконно-оптического детектора уровня жидкости с полой призмой настоящего изобретения, предназначенного для обнаружения уровней жидкости.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 - вид в изометрии полой призмы настоящего изобретения;
фиг.2 - вид спереди и поперечное сечение полой призмы настоящего изобретения;
фиг.3(а), (b) - концептуальные виды полой призмы настоящего изобретения, показывающие выходящий неотклоненный световой пучок, когда полая призма не помещена в жидкую среду, и отклоненный световой пучок, когда она погружена в жидкую среду;
фиг.3(с) - иллюстрация возможных степеней свободы при линейном перемещении полой призмы вдоль осей x, y и z и вращательного движения вокруг оси z;
фиг.4 - графическое представление графиков, показывающих отклонение выходящего светового пучка в зависимости от показателей преломления жидкостей для конкретных отклоняющих углов призмы 30°, 45° и 60°, соответственно;
фиг.5 - вид спереди и поперечное сечение полой призмы вместе со встроенной коллимирующей линзой;
фиг.6 - вид спереди и поперечное сечение полой призмы настоящего изобретения вместе со встроенным волоконно-оптическим излучателем;
фиг.7 - вид спереди и поперечное сечение полой призмы вместе со встроенными волоконно-оптическим излучателем и коллимирующей линзой;
фиг.8 - схематичный вид волоконно-оптического детектора уровня жидкости настоящего изобретения с полой призмой, удерживаемой в фиксированном положении в баке;
фиг.9 - вид спереди и поперечное сечение волоконно-оптического детектора уровня жидкости настоящего изобретения вместе с полой призмой без коллимирующей линзы;
фиг.10 - вид спереди и поперечное сечение волоконно-оптического детектора уровня жидкости настоящего изобретения вместе с полой призмой и коллимирующей линзой;
фиг.11 - общий вид волоконно-оптического детектора уровня жидкости настоящего изобретения, заключенного в корпусе;
фиг.12 - вид группы из шести волоконно-оптических детекторов уровня жидкости настоящего изобретения;
фиг.13 - функциональная схема волоконно-оптического детектора уровня жидкости настоящего изобретения, соединенного с контроллером; и
фиг.14 - функциональная схема группы из шести волоконно-оптических детекторов уровня жидкости настоящего изобретения, соединенных с контроллером.
Краткое изложение изобретения
Настоящим изобретением предоставляется полая призма для обнаружения уровня жидкости с помощью светового пучка от источника, включающая в себя полый элемент, герметизированный диэлектрическими элементами, при этом один из указанных диэлектрических элементов расположен под углом наклона относительно другого, а между диэлектрическими элементами образовано непроницаемое полое пространство. В зависимости от того, где находится поверхность полой призмы, с которой световой пучок выходит, в воздухе или погружена в жидкость, световой пучок, выходящий из полой призмы, остается неотклоненным от направления светового пучка, который входит в полую призму, или претерпевает отклонение, соответственно. Настоящим изобретением также предоставляется волоконно-оптический детектор уровня жидкости с полой призмой настоящего изобретения, предназначенный для обнаружения уровня жидкости.
Описание изобретения
Настоящим изобретением предоставляется полая призма с характерным преломляющим поведением, предназначенная для обнаружения уровня жидкости, с использованием источника света для освещения полой призмы. Полая призма настоящего изобретения включает в себя полый элемент, при этом один из его концов срезан по нормали к оси, тогда как другой конец срезан по существу под углом к первому. Соответствующими концами цилиндра при герметизации парой тонких прозрачных или полупрозрачных диэлектрических элементов, чтобы сделать его непроницаемым для контролируемой жидкости, ограничивается полое пространство внутри полого цилиндра. Таким путем в настоящем изобретении образуется полая призма. Такая полая призма имеет преломляющую особенность, которая обуславливает характерную зависимость между направлением внешнего светового пучка, который входит в полый элемент при нормальном падении, и его направлением на выходе после прохождения вдоль оси полого элемента. В зависимости от того, где находится выходная поверхность полой призмы, в воздухе или погружена в жидкость, световой пучок, выходящий из полой призмы, остается неотклоненным относительно падающего светового пучка или претерпевает отклонение от него, соответственно. Изменение направления светового пучка вследствие перехода от газа к жидкости или наоборот в окрестности указанной полой призмы может легко различаться с высокой эффективностью и разрешением, когда волоконно-оптический приемник получает световой пучок, выходящий из полой призмы. Волоконно-оптический приемник в настоящем изобретении использован в качестве направленного фильтра.
Соответственно, настоящим изобретением предоставляется полая призма, которая при нахождении вне жидкости имеет такую преломляющую особенность, что световой пучок, входящий в нее на более короткой стороне, выходит на более длинной стороне неотклоненным. Иначе говоря, при погружении полой призмы в жидкость световой пучок, выходящий из нее, претерпевает отклонение относительно первоначального направления выхода. Степень отклонения зависит от показателя преломления жидкости, а также от отклоняющего угла призмы и не зависит от материала, используемого при изготовлении призматического устройства.
Таким образом, принцип, который использован в полой призме настоящего изобретения для обнаружения уровня, заключается в изменении, которое проявляется в преломляющем поведении полой призмы при освещении от источника света, когда окружающая среда полой призмы изменяется от газа к жидкости и наоборот.
Теперь варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны с обращением к сопровождающим чертежам. На фиг.1 и 2 чертежей представлены вид в изомерии, вид спереди и поперечное сечение полой призмы. Полая призма включает в себя полый элемент 101, который, как описывается ниже, выполняет функции корпуса. Геометрической форме полого элемента 101 придана цилиндрическая симметрия. Концевые участки полого элемента 101 образуют проксимальный и дистальный концы, соответственно, определяемые относительно места, с которого падающий световой пучок входит в полый элемент 101. В примере осуществления настоящего изобретения геометрическая форма или конфигурация полого элемента 101 показана с цилиндрической симметрией. Однако в рамках настоящего изобретения находится использование других подходящих форм или конфигураций, таких как многоугольная конфигурация полого элемента 101. Полый элемент 101 выполнен из непрозрачного/прозрачного, металлического или неметаллического материала, который является совместимым с жидкостями, уровни которых подлежат обнаружению. Кроме того, факторы совместимости рассчитывают на основе химической и механической прочности/стойкости выбираемого материала полого элемента 101 относительно используемой жидкости, а также температурных условий и условий давления. Плоская поверхность 106 предусмотрена на внешней стороне полого элемента 101 для, как описывается ниже, предотвращения перемещения полого элемента 101 во время обнаружения уровня жидкости.
На проксимальном конце полого элемента 101 предусмотрена первая плоская поверхность 102, которая ориентирована так, что является нормальной к геометрической оси «а» цилиндрического полого элемента. Отверстие в этой поверхности способствует входу светового пучка от источника света в полый элемент 101.
Кроме того, на дистальном конце полого элемента 101 предусмотрена вторая плоская поверхность 103. Вторая плоская поверхность 103 расположена с наклоном по отношению к первой плоской поверхности 102 под углом «α» наклона. Значение угла «α» наклона выбирают на основании конструктивных параметров полой призмы, таких как величина отклонения светового пучка, необходимая для жидкости с конкретным показателем преломления. Угол «α» наклона выбирают из широкого диапазона отклоняющих углов призмы, и он зависит от показателя преломления жидкости, уровень которой подлежит измерению. Соответственно, угол «α» наклона можно задавать в пределах 10-70°, предпочтительно - в пределах 30-45°.
Первый диэлектрический элемент 104 расположен на первой плоской поверхности 102 полого элемента 101 и герметизирован с обеспечением непроницаемости. Когда во время обнаружения полый элемент 101 погружают в жидкость, герметизация предотвращает прохождение жидкости в полый элемент 101 через соединение между первым диэлектрическим элементом 104 и первой плоской поверхностью 102. Точно так же второй диэлектрический элемент 105 также расположен на второй плоской поверхности 103 и герметизирован с обеспечением непроницаемости относительно второй плоской поверхности 103.
Таким расположением первого и второго диэлектрических элементов 104 и 105 гарантируется, что второй диэлектрический элемент 105, который расположен на второй плоской поверхности 103, будет находиться под заданным углом «α» наклона относительно первого диэлектрического элемента 104.
Первый и второй диэлектрические элементы 104 и 105 представляют собой прозрачные или полупрозрачные плоскопараллельные пластинки или пленки, выполненные из алмаза, сапфира, кварца, кремния, германия, аморфного плавленого кварца, боросиликатного крона, полиметилметакрилата (ПММА), поливинилхлорида (ПВХ) или соединения из них. Кроме того, материал для первого и второго диэлектрических элементов 104 и 105 можно выбирать из любых материалов, которые пропускают подводимый световой пучок и обладают диэлектрическими свойствами.
Толщину второго диэлектрического элемента 105 задают на основании механической прочности, требуемой в условиях обнаружения уровня жидкости, включая рабочую температуру, давление и реакционную способность жидкости по отношению к диэлектрическому элементу 105. Толщину второго диэлектрического элемента 105 можно изменять соответствующим образом, и она находится в пределах от 100 мкм до 1 мм. Однако в данном случае должно быть понятно, что фактор толщины не является ограничивающим, и диэлектрические элементы 104 и 105 любой подходящей толщины можно применять в настоящем изобретении, а полую призму настоящего изобретения с диэлектрическими элементами уменьшенной толщины использовать для обнаружения уровня жидкости.
В настоящем изобретении поверхности первого и второго диэлектрических элементов 104 и 105 полируют с тем, чтобы делать их прозрачными для светового пучка, проходящего сквозь них. Однако не требуется, чтобы поверхности первого и второго диэлектрических элементов 104 и 105 были оптически плоскими поверхностями с высокой степенью точности.
При герметизации диэлектрических элементов 104 и 105 на первой и второй плоских поверхностях 102 и 103, соответственно, между ними ограничивается непроницаемое призматическое полое пространство 107.
Характеристики полой призмы остаются неизменными, если герметичное полое пространство 107 заполнено воздухом при нормальной температуре и давлении или откачано для получения вакуума. Этим гарантируется, что жидкость не войдет в герметичное полое пространство 107 при погружении полого элемента 101 в жидкую среду 113 для обнаружения уровня.
На фиг.3 представлены концептуальные виды для описания полого пространства 107, заключенного между первым и вторым диэлектрическими элементами 104 и 105 внутри полого элемента 101. Первый диэлектрический элемент 104 полой призмы соответствует более короткой стороне полой призмы, на которой падающий световой пучок 109 от отдельного источника света входит в полую призму при нормальном падении. Второй диэлектрический элемент 105 соответствует более длинной стороне полой призмы, при этом выходящий световой пучок 110 входит в 105 под углом «α» падения.
Соответственно, внутренние поверхности первого и второго диэлектрических элементов 104 и 105 совместно с герметичным полым пространством 107 точно соответствуют полой призме или призматическому устройству настоящего изобретения.
В примере осуществления настоящего изобретения геометрическая форма полого элемента 101 показана как цилиндрическая. Однако форму полого элемента 101 можно изменять при условии, что в полом элементе 101 первый диэлектрический элемент 104 расположен на его более короткой стороне для обеспечения входа падающего светового пучка 109 от отдельного источника света и второй диэлектрический элемент 105 расположен на его более длинной стороне для выхода соответствующего выходящего светового пучка 110, и при этом второй диэлектрический элемент 105 расположен под углом наклона относительно первого диэлектрического элемента 104.
В настоящем изобретении размер и объем герметичного полого пространства 107 не влияют на эксплуатационную эффективность и, следовательно, могут изменяться в зависимости от условий изготовления полого элемента 101. Соответственно, герметичное полое пространство 107 образует непроницаемое призматическое полое пространство, заполненное воздухом или откачанное. При возникновении необходимости объем оптического материала, присутствующего в области обнаружения уровня, можно уменьшать до микролитров.
На фиг.3а представлен концептуальный вид полой призмы настоящего изобретения с показом падения светового пучка 109 от источника света. Полая призма, показанная на фиг.3, включает в себя первый и второй диэлектрические элементы 104 и 105, которые образуют более короткую и более длинную стороны полой призмы, соответственно, с непроницаемым герметичным полым пространством 107. Волоконно-оптический излучатель 108, который представляет собой многомодовое оптическое волокно, пропускает монохроматический падающий световой пучок 109 от источника света. Многогодовое кварцевое стекловолокно 50/125 мкм использовано для пропускания и приема светового пучка. Кроме того, в зависимости от конкретных свойств жидкости, уровень которой обнаруживают, можно соответствующим образом использовать другие совместимые волоконно-оптические элементы, например, полимерные, кварцевые, сапфировые и т.д., работающие в режиме одной моды или в многомодовом режиме. Источник света может быть лазером, или светоизлучающим диодом, или любым источником света от видимого до инфракрасного диапазона. В настоящем изобретении в качестве входного источника света, соединенного с полой призмой через волоконно-оптический излучатель 108, использован лазерный диод 5 мВт с длиной волны 633 нм. Когда световой пучок, выходящий из многомодового волокна, слишком расходится, световой пучок коллимируют, используя подходящую линзу. Как показано на фиг.3, волоконно-оптический приемник 112 с сердцевиной размером 50 мкм расположен коаксиально по отношению к волоконно-оптическому излучателю 108. Волоконно-оптический приемник 112 функционирует как направленный фильтр. Понятно, что в данном случае размер сердцевины волоконно-оптического приемника 112 можно изменять соответствующим образом.
Когда в отсутствие жидкости 113 падающий световой пучок 109 распространяется через полую призму коаксиально и выходит в виде неотклоненного светового пучка, коаксиальное расположение волоконно-оптического излучателя 108 и приемника 112 способствует приему падающего светового пучка 109, выходящего из волоконно-оптического излучателя 108, волоконно-оптическим приемником 112.
Расстояние «d» пространственного разнесения между критической точкой выходной поверхности 105а второго диэлектрического элемента 105 и критической точкой приемной поверхности 111 волоконно-оптического приемника 112 определяют на основании минимального коэффициента преломления жидкости, для обнаружения уровня которой используют полую призму. Ниже описывается определение расстояния «d» пространственного разнесения.
Фотодетектор 141, описываемый ниже, соединен с волоконно-оптическим приемником 112 и контроллером 142, который в зависимости от воздействия газовой или жидкой фазы на полую призму посылает сигнал включения/выключения, соответственно.
На фиг.3(b) представлен концептуальный вид полой призмы, погруженной в жидкую среду 113, с показом способа, которым падающий световой пучок 109 от источника света пропускается полой призмой. Полая призма, показанная на фиг.3(b), включает в себя первый и второй диэлектрические элементы 104 и 105, которые образуют более короткую и более длинную стороны полой призмы, соответственно, с непроницаемым герметичным полым пространством 107. Волоконно-оптический излучатель 108 пропускает монохроматический падающий оптический пучок 109 к полой призме. Волоконно-оптический приемник 112 с критической точкой приемной поверхности 111 расположен на расстоянии «d» от критической точки 105а на выходной поверхности полой призмы и расположен коаксиально по отношению к волоконно-оптическому излучателю 108. Коаксиальное расположение волоконно-оптического излучателя 108 и приемника 112 облегчает обнаружение отсутствия прихода светового пучка, выходящего из точки 105а полой призмы в виде отклоненного выходящего оптического пучка 114.
Контроллер 142, описываемый ниже, соединенный с отдаленным концом волоконно-оптического приемника 112, обнаруживает изменения состояния выходного сигнала фотодетектора 141, оценивает, к какому типу относится световой пучок, выходящий из полой призмы, к неотклоненному или отклоненному 114, и соответственно активирует дисплей для индикации независимо от того, где находится полая призма, в воздухе или внутри жидкости, уровень которой изменяется.
Преломляющее поведение полой призмы настоящего изобретения заключается в том, что, когда полая призма находится вне жидкой среды, как показано на фиг.3(а), световой пучок, входящий на одной из более коротких сторон, выходит неотклоненным на самой длинной стороне. Как показано на фиг.3(b), при погружении в жидкость выходящий световой пучок претерпевает отклонение относительно прежнего направления выхода.
На фиг.3(с) показаны возможные степени свободы при перемещении полой призмы вдоль и вокруг координатных осей датчика. Полая призма имеет одну возможную степень свободы вращения вокруг оси z и три возможные степени свободы линейного перемещения вдоль каждой из осей x, y и z в системе координат. Из этого вытекает, что нет необходимости в том, чтобы полая призма настоящего изобретения находилась в жесткой связи с волоконно-оптическими проводниками при фиксированном расстоянии между волоконно-оптическими проводниками и опорной поверхностью, при фиксированном исходном положении относительно критической точки на выходной поверхности полой призмы. Ее работа остается неизменной даже в случае, если полый элемент 101 имеет возможность перемещаться как поплавок вместе с уровнем жидкости. Чтобы при такой компоновке измерять уровень жидкости, поплавок необходимо приостанавливать в любом желаемом месте обычным механизмом. Таким образом, полая призма может перемещаться свободно и линейно как поплавок вместе с уровнем жидкости и стопориться на месте, где необходимо замерять уровень жидкости.
Выбираемая жидкость 113 может быть некриогенной жидкостью или криогенной жидкостью. Жидкости, которые можно использовать в настоящем изобретении, включают в себя большое разнообразие жидкостей с различными показателями преломления, без ограничения ими, а именно воду, молоко, жидкое ракетное топливо, жидкий водород, жидкий кислород, жидкий азот, токсичные жидкости, спирты, масла, керосин и нефтяные продукты (с показателями преломления от 1,1 до 1,7).
Степень отклонения светового пучка при погружении полой призмы в жидкость зависит от показателя преломления жидкой среды 113 и не зависит от материала, используемого при изготовлении призматического устройства. Поэтому свойства полой призмы настоящего изобретения зависят только от показателя преломления выбираемой жидкости 113, а не от других состояний жидкости, таких как температура и давление, которые изменяются динамически, особенно в условиях криогенных жидкостей. Иначе говоря, преломляющее поведение полой призмы настоящего изобретения является нечувствительным к окружающим условиям, к температуре и давлению. Это свойство приводит к конкретному преимуществу обнаружения уровня с использованием полой призмы и отражает это преимущество, заключающееся в том, что волоконно-оптический приемник 112 нет необходимости позиционировать повторно всякий раз, когда окружающие условия, такие как давление и температура исследуемой жидкости, динамически изменяются во время обнаружения уровня жидкости.
На фиг.4 представлен график изменения углового отклонения пучка 114 в зависимости от показателя преломления среды 113 в пределах 1-1,7. На этой же фигуре также показано влияние отклоняющего угла призмы на эту зависимость. В качестве примера осуществления ниже даны оценки ожидаемого угла отклонения для случаев, когда жидкий водород, жидкий азот и вода с соответствующими показателями преломления 1,1, 1,195 и 1,33, соответственно, представляют среду 113. Когда α=30°, при обнаружении жидкого водорода волоконно-оптическим детектором 117 уровня (показанным на фиг.8) настоящего изобретения отклоняемый световой пучок 114, показанный на фиг.3, подвергается отклонению на 2,5°, тогда как тот же самый пучок при обнаружении уровней жидкого азота и воды отклоняется на углы 5° и 7,5°, соответственно. В случае возрастания угла наклона для соответствующих углов отклонения также имеются соответствующие возрастания величины. Знание таких оценок угла для отклонения помогает находить пространственное расстояние «d» между критической точкой выходной поверхностью 105а и критической точкой приемной поверхности 111 волоконно-оптического детектора 117 уровня жидкости. Поэтому волоконно-оптический детектор 117 уровня настоящего изобретения, описываемый ниже, можно использовать для обнаружения уровней различных жидкостей с различными показателями преломления, когда показатель преломления жидкости находится выше критического значения, определяемого расстоянием «d».
В случае угла α=30° расстояние «d» пространственного разнесения можно рассчитывать из условия обнаружения уровня всех жидкостей, имеющих показатель преломления 1,1 и выше, создающих отклонение до 2,5°. Например, если расчетное горизонтальное отклонение в критической точке приемной поверхности 111 составляет 5 мм, то в случае жидкого водорода с показателем преломления 1,1, создающего отклонение 2,5° (при α=30°), tg(2,5°) равен 5/d или d×tg(2,5°)=5, откуда вычисляют «d» в миллиметрах.
Таким образом, величина отклонения светового пучка, привносимого полой призмой, когда она погружена в жидкость, в целом определяется только показателем преломления жидкости 113, выбираемой для измерения, и соответствующим отклоняющим углом призмы.
На фиг.5 представлены вид спереди и сечение полого элемента 101. В этом осуществлении диэлектрический элемент 104 заменен коллимирующей линзой 115 цилиндрической геометрической формы. Внутренний диаметр полого элемента 101 и внешний диаметр коллимирующей линзы 115 согласованы с жестким допуском. Коллимирующая линза 115 расположена коаксиально внутри полого элемента 110 так, что нижний плоский конец линзы расположен заподлицо с поверхностью 102. Когда пространство между стенкой коллимирующей линзы и внутренней поверхностью полого элемента 101 герметизировано для обеспечения непроницаемости, между верхней плоской поверхностью 116 коллимирующей линзы и диэлектрическим элементом 105 оказывается заключенным непроницаемое призматическое пространство. В этом осуществлении таким путем образуется полая призма. В этом осуществлении для полой призмы становятся допустимыми небольшие изменения расхождения светового пучка, выходящего из волоконно-оптического излучателя 108.
На фиг.6 представлены вид спереди и поперечное сечение другого осуществления полой призмы настоящего изобретения. Как показано на фиг.6, полая призма непосредственно объединена с волоконно-оптическим излучателем 108 на проксимальном конце полого элемента 101. Свободный конец волоконно-оптического излучателя 108 заканчивается наконечником 108а и металлическим колпачком 108b, которые выполнены цилиндрическими по форме. Внешний диаметр наконечника 108а и внутренний диаметр полого элемента 101 согласованы с жестким допуском. Наконечник 108а расположен коаксиально и герметизирован до состояния непроницаемости вблизи проксимального конца полого элемента 101. В этом изобретении наконечник 108а выполнен из керамического материала, но любой другой подходящий материал можно также использовать для наконечника или колпачка. В этом осуществлении волоконно-оптический излучатель 108 с верхней поверхностью, образующей первую плоскую поверхность 102а, расположен вместо первого диэлектрического элемента 104 и действует как более короткая сторона полой призмы, а второй диэлектрический элемент 105, наклоненный под углом, действует как более длинная сторона полой призмы, на которой световой пучок выходит из полой призмы. Иначе говоря, теперь полое пространство 107 заключено между верхней плоской поверхностью 102а волоконно-оптического излучателя 108 и диэлектрическим элементом 105b. В этом осуществлении волоконно-оптический излучатель 108 выполнен с использованием одномодового волокна. Из такого волокна выводится световой пучок, который остается по существу однонаправленным на всем протяжении расстояния «d», и, следовательно, для эффективной работы дополнительная коллимирующая линза не требуется.
На фиг.7 представлены вид спереди и поперечное сечение еще одного осуществления полой призмы настоящего изобретения. В этом осуществлении дополнительная коллимирующая линза 115 помещена коаксиально в полое пространство между верхней плоской поверхностью 102а волоконно-оптического излучателя 108 и диэлектрическим элементом 105b. Волоконно-оптический излучатель 108, расположенный в керамическом наконечнике 108а, вставлен через отверстие на проксимальном конце полого элемента 101. Волоконно-оптический излучатель 108 герметизирован с обеспечением непроницаемости относительно проксимального конца полого элемента 101. Кроме того, в этом осуществлении настоящего изобретения коллимирующая линза 115 расположена между волоконно-оптическим излучателем 108 и диэлектрическим элементом 105b для коллимации светового пучка от волоконно-оптического излучателя 108. В данном случае верхняя поверхность 116 коллимирующей линзы 115 используется вместо первого диэлектрического элемента 104 и действует как более короткая сторона полой призмы, а диэлектрический элемент 105b действует как более длинная сторона полой призмы, на которой световой пучок выходит. Коллимирующая линза 115, используемая в настоящем изобретении, является линзой цилиндрической формы с фиксированным фокусным расстоянием или линзой с градиентным показателем преломления длиной 6 мм, диаметром 2 мм и с фокусным расстоянием 2 мм. Однако здесь следует учитывать, что характеристики коллимирующей линзы 115, приведенные в этой заявке, являются индикативными по природе и не являются ограничивающим фактором.
Кроме того, настоящим изобретением предоставляется волоконно-оптический детектор уровня жидкости с полой призмой, предназначенный для обнаружения уровня жидкости при наличии источника 120 света, и он теперь будет описываться с обращением к фиг.8-14. Детектор 117 уровня жидкости включает в себя полую призму настоящего изобретения, расположенную в герметичном баке или контейнере 118, заполненном желаемой жидкостью 113 с уровнем поверхности, показанным позицией 119, и уровень этой жидкости должен быть обнаружен.
Бак 118 герметично закрыт крышкой 121. Для пропускания светового пучка к полой призме детектора 117 уровня жидкости источник 120 света присоединен через волоконно-оптический излучатель 108. Волоконно-оптический приемник 112 соединен с контроллером 142 через фотодетектор 141 для обнаружения наличия или отсутствия светового пучка от волоконно-оптического приемника 112. Волоконно-оптический приемник 112 расположен так, что принимает неотклоненный световой пучок, когда жидкость отсутствует, и не принимает отклоненный выходящий пучок, когда жидкость присутствует. Волоконно-оптический приемник 112 связан с фотодетектором 141 для формирования электрического напряжения или токового сигнала типа включено/выключено с тем, чтобы показывать нахождение полой призмы внутри газовой или жидкой среды, соответственно, и чтобы облегчать дистанционное управление и контроль во время операций заполнения/спуска любой жидкости. Кроме того, при использовании детектора уровня жидкости настоящего изобретения систему обнаружения уровня можно выполнять с возможностью непрерывного мониторинга уровня в пределах ограниченной высоты столба измеряемой жидкости.
На фиг.9 представлены вид спереди и поперечное сечение детектора 117 уровня жидкости, включающего в себя опорный элемент 122, который представляет собой стержневую или балочную конструкцию для поддержания других связанных частей детектора 117 уровня жидкости. Держатель 125 волоконно-оптического излучателя, имеющий пару отверстий 126 и 127, присоединен к опорному элементу 122 через отверстие 126. Волоконно-оптический излучатель 108 выполнен с возможностью прохождения без обеспечения герметичности через отверстие 127 держателя 125 волоконно-оптического излучателя, и этим эффективно предотвращается поступательное перемещение волоконно-оптического излучателя 108 в плоскости x-y. Зажимное приспособление 129 имеет пару отверстий 126а и 127а. Оно присоединено к опорному элементу 122 через отверстие 126а. Кроме того, то же самое зажимное приспособление присоединено к волоконно-оптическому излучателю 108 через отверстие 127а. Зажимное приспособление 129 эффективно предотвращает поступательное перемещение волоконно-оптического излучателя вдоль оси z. Разделительный элемент 128, установленный на опорном элементе 122, способствует удержанию зажимного приспособления 129 параллельным держателю 125 волоконно-оптического излучателя. Зажимное приспособление 131 имеет пару отверстий 126b и 127b. Оно присоединено к опорному элементу 122 через отверстие 126b и к полому элементу 101 через отверстие 127b. Разделительный элемент 130, установленный на опорном элементе 122, способствует удержанию зажимного приспособления 131 параллельным зажимному приспособлению 129. Крепежный элемент 132 использован для прочного присоединения полого элемента 101 вместе с упомянутыми выше соединительными элементами к опорному элементу 122. Плоский участок 106 предусмотрен на поверхности полого элемента 101 для предотвращения вращательного движения полого элемента 101.
Можно заметить, что полый элемент 101, показанный на фиг.9, не содержит коллимирующей линзы 115.
Регулятор 124 расстояния с проксимальным и дистальным концами установлен на опорном элементе 122. Регулятор 124 расстояния представляет собой втулку или проставку переменной длины. Зажимное приспособление 133 является держателем волоконно-оптического приемника и имеет пару отверстий 126с и 127с. Оно присоединено к опорному элементу 122 через отверстие 126с. Волоконно-оптический приемник 112 негерметично соединен с зажимным приспособлением 133 через отверстие 127с. Кроме того, зажимное приспособление 133 расположено так, что опирается на дистальный конец регулятора 124 расстояния. Зажимное приспособление 133 не только удерживает волоконно-оптический приемник 112 коаксиальным относительно волоконно-оптического излучателя 108, но также предотвращает любое поступательное перемещение волоконно-оптического приемника 112 в плоскости x-y. Регулятор 124 расстояния представляет собой проставку, расположенную для фиксации расстояния «d» между критической точкой 105а диэлектрического элемента 105b, второго диэлектрического элемента 105 и критической точкой приемной поверхности 111 волоконно-оптического приемника 112.
Зажимное приспособление 135, имеющее пару отверстий 126d и 127d, присоединено к опорному элементу 122 через отверстие 126d. Кроме того, оно присоединено к волоконно-оптическому приемнику 112 через отверстие 127d. Зажимное приспособление 135 используется для предотвращения поступательного перемещения волоконно-оптического приемника вдоль оси z. Проставка 134, установленная на опорном элементе 122, способствует удержанию зажимных приспособлений 133 и 135 параллельными друг другу. Крепежный элемент 123 использован для закрепления зажимных приспособлений 133 и 135. Волоконно-оптический приемник 112 соединен с контроллером 142 через фотодетектор 141. Контроллер 142 обрабатывает сигналы, обнаруживаемые фотодетектором 141, устанавливая наличие или отсутствие светового пучка на фотодетекторе 141 во время обнаружения уровня жидкости.
Удерживающий элемент 136 присоединен к опорному элементу 122 с помощью зажимного приспособления 137, действует подобно опоре и используется для подвешивания детектора 117 уровня жидкости в баке 118.
Как и на фиг.8, на фиг.10 представлены вид спереди и поперечное сечение детектора 117 уровня жидкости, в котором полый элемент 101 детектора уровня жидкости содержит коллимирующую линзу 115. Во всех других аспектах его конструкция аналогична конструкции, показанной на фиг.9.
На фиг.11 представлен общий вид детектора 117 уровня жидкости, заключенного в корпус 138 с отверстиями 139 для прохождения жидкости в корпус 138 во время обнаружения уровня жидкости.
На фиг.12 показана группа из шести волоконно-оптических детекторов уровня жидкости, каждый из которых является идентичным по конструкции детектору 117, и эти детекторы располагают в различных местах в пространстве и последовательно в баке, имеющем жидкость 113, для обнаружения уровней жидкостей в соответствующих многочисленных местах в баке 118. Кроме того, большое число групп из таких волоконно-оптических детекторов 117 уровня жидкости можно располагать в любой области бака 118 для обнаружения уровня жидкости с различным пространственным разрешением.
Теперь способ обнаружения уровня жидкости с использованием волоконно-оптического детектора обнаружения уровня жидкости настоящего изобретения будет описан с обращением к фиг.13 и 14.
Сначала способ будет описан для случая, когда бак 118 заполняют выбранной жидкостью и опорожняют его.
На фиг.13 представлена функциональная схема волоконно-оптического детектора уровня жидкости настоящего изобретения, соединенного с фотодетектором 141 и контроллером 142.
Чтобы обнаруживать уровень жидкости в баке 118 во время заполнения его до заданного уровня, волоконно-оптический детектор уровня жидкости размещают в баке 118 на заданном месте, до которого будет осуществляться заполнение жидкостью. Дают возможность жидкости входить в бак 118. Приводят в действие источник 120 света, и соответствующий световой пучок 109 имеет возможность проходить через детектор 117 уровня жидкости, и неотклоненный световой пучок собирается волоконно-оптическим приемником 112 до тех пор, пока жидкость не достигает критической точки 105а диэлектрического элемента 105b. Фотодетектор 141 воспринимает световой пучок от волоконно-оптического приемника 112 и посылает электрический сигнал в виде напряжения или тока на модуль преобразования сигналов в контроллере 142. Можно использовать любой полупроводниковый фотодетектор на основе диода со временем отклика 1 мс или меньше. Контроллер 142 представляет собой стандартный пропорциональный, интегральный и дифференциальный контроллер с преобразователями сигналов и устройствами ввода/вывода. Пропорциональный, интегральный и дифференциальный контроллер считывает статус входных сигналов с фотодетектора 141 через преобразователь сигналов и на основании заранее заданной логики приводит в действие конечные управляющие устройства, аналогичные насосам, клапанам и т.д., через устройства вывода, для регулирования последовательности заполнения/спуска. В момент, в который жидкость достигает критической точки 105а диэлектрического элемента 105b, световой пучок подвергается отклонению и соответствующий сигнал об отсутствии обнаружения света фотодетектором 141 передается на контроллер 142, посредством чего указывается на присутствие жидкости на заданном уровне. Этот сигнал подключается к компаратору напряжения/детектору порога для определения уровня жидкости в баке. Затем аналоговое значение напряжения или тока оценивается контроллером 142 для индикации уровня жидкости 113. Кроме того, эта операция может быть выполнена в случае многоуровневого заполнения жидкостью при использовании группы волоконно-оптических детекторов 117 уровня жидкости вместе с устройствами ввода-вывода, показанными на фиг.12 и 14. Устройства ввода-вывода, используемые в настоящем изобретении, относятся к такому типу, в соответствии с которым свет направляется от волокна и расщепляется на «N» пучков равной интенсивности и каждый из них направляется в «N» отдельных волокон. Суммарное количество «N» пучков является таким же, как количество волоконно-оптических детекторов, используемых в группе. В примере осуществления этого изобретения использовано устройство ввода-вывода, которое расщепляет один пучок с образованием шести пучков для независимой подачи на шесть волоконно-оптических детекторов уровня, но использование многочисленных устройств ввода-вывода, необходимых для расщепления единственного пучка, находится в рамках изобретения.
Аналогичным образом уменьшение уровня жидкости в баке 118 также определяется в случаях, когда уровень жидкости снижается ниже критической точки 105а диэлектрического элемента 105b волоконно-оптического детектора 117 уровня жидкости настоящего изобретения.
Преимущества настоящего изобретения
1. Процесс обнаружения уровня с использованием полой призмы настоящего изобретения зависит только от показателя преломления жидкости, но не от других параметров жидкости, таких как температура и давление, которые изменяются динамически в криогенной жидкости.
2. Полая призма настоящего изобретения является простой по конструкции, устойчивой в работе, не требующей специальных знаний для освоения и эксплуатации, легкой в изготовлении в крупном масштабе, практически осуществимой в промышленном масштабе и не требующей оптических поверхностей высокой точности.
3. Повторная калибровка волоконно-оптического детектора уровня жидкости настоящего изобретения исключается при смене контролируемой жидкости.
4. Полую призму настоящего изобретения можно миниатюризировать путем снижения оптического объема полой призмы.
5. Кроме того, полая призма настоящего изобретения может иметь три степени свободы линейного перемещения в плоскости x-y и вдоль оси z и одну степень свободы вращения вокруг оси z, и может использоваться как поплавок и стопориться на заданном месте для обнаружения уровня жидкости.
6. Полая призма настоящего изобретения может работать при давлениях до 10 бар (1 МПа) и температурах до температуры жидкого гелия.
7. Ориентацию полой призмы детектора уровня жидкости настоящего изобретения можно изменять на 180°.
8. Волоконно-оптический детектор уровня жидкости настоящего изобретения имеет идентичное время отклика при обнаружении уровня жидкости во время операций заполнения и спуска и время отклика является очень небольшим, поскольку обнаружение происходит со скоростью света.
Без отступления от сущности и объема этого изобретения специалист в данной области техники может сделать различные изменения и модификации к изобретению, чтобы приспособить его к различным применениям и условиям. Сами по себе эти изменения и модификации установлены правовыми нормами, основаны на праве справедливости и предполагаются находящимися в пределах полного диапазона эквивалентности нижеследующей формулы изобретения.