ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
FLUID LEVEL OPTOELECTRONIC MEASUREMENT SYSTEM

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидкости на изделиях ракетно-космической и авиационной техники, а также в различных отраслях народного хозяйства.
Известны способы измерения уровня жидкости с помощью емкостных уровнемеров, представляющих собой различного рода конденсаторы, между прокладками которых изменяется уровень жидкости, что ведет к изменению диэлектрической проницаемости среды между прокладками конденсатора и, соответственно, к изменению емкости [Проектирование датчиков для измерения механических величин. / Под ред. Е.П.Осадчего. - М: Машиностроение, 1979. - 480 с.].
Недостаток таких способов измерения в повышенной опасности при измерении уровня искро- взрыво- пожароопасных жидкостей.
Этот недостаток устранен при измерении уровня жидкости бесконтактными методами, к которым относятся оптические способы измерения. Чаще всего для измерения текущего уровня жидкости используются чувствительные оптические элементы (в виде различного рода светопроводов), принцип действия которых основан на нарушении условия полного внутреннего отражения при соприкосновении их поверхностей с жидкостью [Мурашкина Т.И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости. // Радиотехника. - 1995. - №10. - С.34-35]; [патент РФ RU 2297602 C1, кл. G01F 23/22, №2297602 опублик. 20.04.07].
Недостаток указанных технических решений в том, что они используются для дискретного изменения уровня жидкости, так как в них основная часть светового потока уходит в жидкость при первом соприкосновении чувствительного элемента с жидкостью.
Наиболее близким по схемно-конструктивному исполнению к предлагаемой оптоэлектронной системе измерения уровня жидкости является оптический датчик перемещений, содержащий последовательно установленные фотоприемник и четыре светодиода, расположенные симметрично относительно его оптической оси, оптическую собирающую систему из пяти линз и отражатель, причем оптические оси светодиодов расположены под расчетным углом к оптической оси фотоприемника [патент РФ 2044274, G01B 11/00].
Недостатком данного датчика является то, что его конструктивные параметры рассчитаны из условия измерения перемещения отражающей поверхности в однородной среде, и, соответственно, не рассчитаны на измерение уровня жидкости. При измерении уровня жидкости данный датчик будет иметь низкую чувствительность преобразования оптического сигнала и, соответственно, низкую точность измерения в большом диапазоне измерения (до 2000 мм).
Таким образом, в прототипе не достигается технический результат, выраженный в бесконтактном измерении текущего значения уровня жидкости в больших диапазонах измерения с высокой точностью.
Предлагается новая оптоэлектронная система для реализации предлагаемого способа измерения уровня жидкости, лишенная перечисленных выше недостатков.
Оптоэлектронная система для реализации предлагаемого способа содержит емкость с жидкостью, фотоприемник, светодиоды, расположенные симметрично относительно оптической оси фотоприемника под углом α, собирающие линзы, расположенные соосно фотоприемнику и светодиодам, зеркальный отражатель, отличающийся тем, что зеркальный отражатель располагается в жидкости, угол α определяется из следующего соотношения:
ИИ
где f - фокусное расстояние линзы светодиодов, мм;
γ - апертурный угол источника излучения, град,
причем количество светодиодов более четырех.
Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.
На фигуре 1 приведена упрощенная конструктивная схема оптоэлектронной системы, на фигурах 2, 3 - конструктивные схемы для определения геометрических параметров оптоэлектронной системы.
Оптоэлектронная система измерения уровня жидкости содержит емкость 1 с жидкостью 2, уровень которой измеряется, фотоприемник 3, под углом α, собирающие линзы 5, расположенные соосно фотоприемнику 3, зеркальный отражатель 7. Отражатель 7 располагается в жидкости 2, как правило, на дне емкости 1 (фиг.1). Светодиод 4 стоит в фокусе собирающей линзы 5 для формирования параллельного пучка света 8. Фотоприемник 3 относительно собирающей линзы 6 на расстоянии меньшем, чем фокусное расстояние линзы 6 для того, чтобы было сформировано светлое пятно, соизмеримое по размерам приемной площадки фотоприемника 3.
Оптоэлектронная система измерения уровня жидкости работает следующим образом.
1
1
Пучки параллельных лучей 8 проходят под углом α через первую среду 9 (например, воздух) с коэффициентом преломления n путь, равный l, определяемый выражением
где h - расстояние от излучающей поверхности линзы 5 до границы раздела двух сред 10 (например,«воздух-вода»);
2
2
затем, преломившись на границе раздела сред 10, под углом β через вторую среду 2 (например, воду) с коэффициентом преломления n проходит путь, равный l, определяемый выражением
где X - расстояние от границы раздела двух сред 10 до зеркальной отражающей поверхности 7;
к зеркалу 7 и, отразившись от него, проходит обратный путь к фотоприемнику 3. При этом мощность оптического излучения ослабляется в соответствии с законом Бугера:
0
где P, P - мощность оптического излучения в начале и в конце трассы соответственно;
ρ - коэффициент отражения зеркальной поверхности 7;
0
1
τ, τ - коэффициенты прозрачности первой среды 9 (например, воздуха) и второй среды 2 (например, воды) соответственно
1
2
где χ, χ - коэффициенты экстинкции (коэффициенты потерь оптического излучения за счет поглощения и рассеяния света) первой и второй сред соответственно;
1
2
l, l - путь, пройденный световым потоком в первой и второй средах соответственно
[Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. - Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Советское радио, 1980, 392 с.]. С учетом зависимостей (6) и (7) выражение (5) перепишется:
1
Если оптоэлектронная система работает в атмосфере или в условиях вакуума в инфракрасной области спектра, то χ≈0. Тогда
Или с учетом выражений (3) и (4)
2
Таким образом, зависимость P=f(X) нелинейная (экспоненциальная). Кроме того, если потери во второй среде незначительны (χ→0), то чувствительность преобразования будет мала.
Для линеаризации зависимости Р=f(X) и повышения чувствительности преобразования в выражение (10) необходимо ввести коэффициент K(X). Для линеаризации зависимости Ф(X) необходимо, чтобы нелинейность первого сомножителя  была скомпенсирована нелинейностью второго сомножителя K(X). Этого можно добиться изменением крутизны зависимости K=f{X) путем выбора на стадии проектирования параметров α и d, где d - расстояние между оптическими осями источников и приемника получения (фиг.2).
Механизм линеаризации выходной функции преобразования и повышения чувствительности преобразования основан на искусственном уменьшении потерь светового потока в начале диапазона измерения (при минимальном уровне жидкости) и увеличении их в конце диапазона измерения. Этого можно добиться изменением освещенности приемника излучения путем смещения светового пятна, отраженного от зеркала относительно светочувствительной поверхности приемника излучения.
ИИ
ОТР
ОСВ
Для этого лучи света 8 направляют к зеркалу 7 таким образом, чтобы при значении уровня жидкости Х=0 они сходились в точке A, лежащей на оптической оси на расстоянии L от верхней границы емкости 1 (см. фиг.2 и 1). При таком ходе лучей световое пятно площадью S в приемной плоскости (в конце трассы), равное отраженному пятну площадью S, будет перемещаться относительной приемной площадки фотоприемника 3 в направлении Z, при этом будет изменяться площадь приемника излучения, освещенная отраженным световым потоком, то есть S=f(X).
Тогда:
С учетом выражения (8) выражение (11) перепишется следующим образом:
Или в относительных единицах:
Светочувствительная площадка приемной оптической системы может быть прямоугольной (квадратной) или круглой.
Если светочувствительная площадка приемной оптической системы прямоугольная (квадратная), то
где b, h - длина и ширина прямоугольника (фиг.3).
Если площадка круглая, то
ПИ
где R - радиус фотоприемника 3.
ОСВ
ИИ
В первом случае S представляет собой площадь, образованную взаимным пересечением круга радиусом r и хорды АВ длиной а (фиг.3), причем
где .
Соответственно
Тогда:
ИИ
- при Z<r
ИИ
- при Z>r
где
ии
где Z=0…2r.
С учетом зависимостей (14), (18) и (19) выражение (13) перепишется:
ИИ
- при Z<r
ИИ
- при Z>r
В данных выражениях параметр Z определяется конструктивными особенностями конкретной оптической системы.
В частном рассматриваемом случае данный параметр определяется расстоянием d между оптическими осями источника и приемника излучения.
Из треугольника ΔBSD
Расстояние, которое луч проходит в направлении Z в воздухе, равно
а в жидкости:
В соответствии с фиг.3 и с учетом (24), (25) и (4) можно записать:
Откуда
Изменяя конструктивные параметры α, d, H, можно улучшить такие метрологические характеристики, как линейность функции преобразования, чувствительность преобразования оптической системы, и изменять в соответствии с требованиями заказчика диапазон измерения уровня жидкостных сред.
1
Если диапазон измерения небольшой (не более 2000 мм), то в выражениях (21) и (22) χ≈0, соответственно сомножитель  будет равен 1. Тогда выражения (21) и (22) перепишутся следующим образом:
ИИ
- при Z<r
ИИ
- при Z>r
где Z определяется выражением (27).
Угол α выбирается из следующих соображений.
В начале диапазона измерения на приемник излучений должен падать как можно меньший световой поток, а в конце диапазона - как можно больший, что компенсирует резкое его затухание в пространстве с удалением границы раздела сред. Отсюда следует, что угол между оптическими осями источника излучения и приемника излучения должен быть сходящимся в конце диапазона измерения.
Конечные размеры составных элементов конструкции также накладывают определенные требования к указанному углу.
Л
Для нахождения угла α воспользуемся выражением (26). Если не ограничивать функцию преобразования линейным участком, то в данном выражении Z можно принять равным диаметру d линзы 5 (см. фиг.1), то есть
Для уменьшения поперечных размеров необходимо, чтобы источники и приемник излучения располагались как можно ближе друг к другу. Указанное расстояние зависит от внешних диаметров линз 5 и 6. Тогда
max
При максимальном значении уровня жидкости Х, равном диапазону измерения D, уравнение (31) перепишется:
Л
ИИ
где d≈2ftg(γ/2),
ИИ
где f - фокусное расстояние линзы 5, мм;
γ - апертурный угол светодиода 4, град.
Окончательно имеем
Так как диапазон измерения D в рекомендуемом варианте лежит в пределах 300…2000 мм, то окончательно угол α определится выражением (1).
В соответствии с формулой (33) расчетным путем установлено, что чем больше диапазон измерения, тем меньше угол α. В рекомендуемом варианте α≈0,5…3° (в качестве источников излучения использовались светодиоды ЗЛ107Б, а в качестве фотоприемника - фотодиод ФД 20-32К и собирающие линзы диаметром 14 мм с фокусом f=15,7 мм, при этом габаритные размеры оптоэлектронного узла составили 40×30 мм).
Предложенная оптоэлектронная система обеспечивает безопасное бесконтактное измерение текущего уровня искро- взрыво- пожароопасных жидкостей в больших диапазонах измерения с высокой точностью, простая и технологичная при изготовлении, не требует сложных технологических, юстировочных и измерительных операций при изготовлении оптической части преобразователя, имеет дешевую компонентную базу: инфракрасные свето- и фотодиоды.
Применение четырех и более светодиодов и одного фотодиода обеспечивает снижение погрешности измерения при колебаниях границы раздела сред «жидкость - газовая среда».