ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ
FIBER OPTICAL LEVEL METER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим гидростатическим измерителям уровня, использующим в качестве измерительного средства волоконно-оптический световод, и может быть использовано для непрерывного измерения уровней различных жидкостей.
Гидростатические уровнемеры, применяемые для непрерывного измерения уровня среды в емкости, измеряют гидростатическое давление, пропорциональное уровню среды. В основе действия гидростатических уровнемеров лежит закон пропорциональности между высотой столба жидкости и гидростатическим давлением этого столба:
где Р - гидростатическое давление столба жидкости, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, h - высота столба жидкости.
Достоинством гидростатических уровнемеров является принципиальная возможность получения высокой точности измерения уровня различных сред.
Известны конструкции волоконно-оптических гидростатических уровнемеров, в которых в качестве измерительного средства используется волоконно-оптический световод, реагирующий на перемещение чувствительного элемента уровнемера - как правило, мембраны.
В [1] описан гидростатический волоконно-оптический уровнемер с двумя вариантами конструктивного решения. В первом варианте чувствительный элемент уровнемера - мембрана - размещена на самом дне открытой емкости с измеряемой средой. Одна сторона мембраны обращена к измеряемой среде, а другая - к изолированной полости, сообщающейся посредством капилляра с областью, находящейся над измеряемой средой.
Измерительный узел реализован в виде двух волоконных световодов, подходящих к мембране со стороны изолированной полости, причем по одному световоду подводится оптическое излучение, а по другому - отводится отраженный от мембраны оптический сигнал. Величина отраженного сигнала зависит от изменения положения мембраны и, следовательно, от действующего на нее давления, и является мерой уровня среды в емкости.
Во втором варианте мембрана размещена вблизи дна емкости, с возможностью доступа к ее нижней поверхности измеряемой среды, а измерительный узел с подводящим и отводящим оптоволокном расположен с другой стороны, над мембраной, и помещен в полость, находящуюся под атмосферным давлением и изолированную от измеряемой среды. Принцип измерения давления аналогичен описанному выше.
Принцип отражения излучения от чувствительного элемента реализован в устройстве [2], в котором чувствительным элементом является приемник гидростатического давления, выполненный в виде поршня и установленный в пробнике, при этом нижний торец поршня обращен в процессе измерения к измеряемой среде, а верхний торец, обращенный к волоконным световодам, сообщается с атмосферой.
В гидростатическом волоконно-оптическом уровнемере [3] чувствительная мембрана расположена вблизи дна открытой емкости с измеряемой средой. Пространство между мембраной и дном емкости заполнено жидкой средой и образует базовую полость, изолированную от окружающей среды. Давление в базовой полости равно атмосферному. Мембрана связана с трубкой, один конец которой открыт в атмосферу. В трубке выполнен капилляр, по которому проходит световод.
В процессе измерения уровень среды в капилляре становится равным уровню жидкости в емкости, и по затуханию излучения, распространяющегося по капилляру, определяется искомый уровень среды.
Известен волоконно-оптический гидростатический уровнемер, в котором измерительный узел выполнен в виде подводящего и отводящего световодов, связанных с расположенными на противоположных сторонах мембраны Брэгговскими решетками. Приемное устройство (фотодетектор) определяет изменение длины волны излучения, отраженного от Брэгговской решетки, которое пропорциональное смещению мембраны [4].
Недостатком указанного уровнемера является сложность конструктивного решения, обусловленная наличием прецизионных элементов - дифракционных Брэгговских решеток, а также необходимость использования специального фотоприемника.
Известен также волоконно-оптический гидростатический уровнемер, в котором мембрана механически связана со штоком, который при перемещении мембраны контактирует с волоконным световодом, выполненным, например, в виде одного или нескольких витков, имеющих форму круга. Деформация световода при механическом контакте со штоком приводит к возникновению потерь оптического излучения в световоде, учет которых позволяет определить давление среды в емкости, и далее - уровень среды. Для обеспечения возврата оптического излучения из источника к фотоприемнику световод может быть выполнен либо непрерывным (траектория оптического сигнала замкнута), либо она может заканчиваться вблизи штока, а возврат излучения на приемник обеспечивается зеркалом, размещенным на выходном конце световода [5].
Недостатком указанного уровнемера является невысокая точность измерения, связанная с невысокой степенью деформации световода при механическом контакте со штоком.
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения по большинству существенных признаков принято волоконно-оптическое устройство для определения параметров сред, в частности, давления, которое может использоваться для гидростатического измерения уровня. Указанное устройство содержит источники излучения, два волоконно-оптических световода, один из которых является опорным, а другой - измерительным; чувствительный элемент - мембрану, воспринимающую давление жидкой среды, механизм передачи реакции мембраны к измерительному световоду; средства, изолирующие область прохождения световодов от измеряемой среды; первый и второй фотоприемники, подключенные входами к выходам световодов, и устройство регистрации и обработки сигнала, связанное с выходами фотоприемников.
Механизм передачи реакции чувствительного элемента к измерительному световоду включает шток, связанный с мембраной, и опору с установленными в ней напротив друг друга элементами, расположенными с возможностью механического воздействия на измерительный световод в области между упомянутыми элементами. Указанные элементы имеют форму пластин, поверхностям которых, обращенных к зазору, придана синусоидальная форма.
Измерительный световод в виде одиночного нескрученного проводника проходит через зазор между пластинами; на торце световода, обращенном к опоре, находится зеркало [6].
Указанный измеритель уровня работает следующим образом. Давление, действующее на одну сторону мембраны, например, (Рср + Ратм), где Рср - давление жидкости, Ратм - атмосферное давление, приводит к перемещению связанного с мембраной штока, воздействующего, в свою очередь, на опору. Давление по другую сторону мембраны, в области прохождения волоконно-оптических световодов, будет в этом случае равно Ратм.
Результатом воздействия штока на опору является перемещение друг относительно друга установленных в опоре пластин. Движение пластин навстречу друг другу приводит к уменьшению величины зазора между ними и к деформации световода, и, как следствие - к потерям излучения в нем.
Измерение на первом фотоприемнике величины оптического сигнала, прошедшего через опорный световод, т.е величины оптического сигнала на входе измерительного световода, и ее сравнение с величиной отраженного от зеркала оптического сигнала, измеренного вторым фотоприемником, позволяет определить величину потерь излучения в измерительном световоде, обусловленных его деформацией. Указанные потери излучения пропорциональны величине перемещения мембраны при воздействии на нее давления, что позволяет оценить действующее на мембрану давление - Рср + Ратм, и, затем давление среды Рср. Далее по формуле (1) рассчитывается уровень жидкой среды.
При движении пластин в противоположном направлении (расхождении с увеличением зазора) деформация световода уменьшается или отсутствует, что опять приводит к изменению интенсивности отраженного оптического сигнала и величина уровня рассчитывается по описанному выше алгоритму.
Недостатками известного устройства являются невысокая точность измерения давления и ограниченный диапазон измерения давления (и, соответственно - уровня среды). Эти недостатки обусловлены, как конструкцией механизма передачи реакции чувствительного элемента к измерительному световоду, так и формой световода в зазоре между пластинами. Конструкция упомянутого механизма ограничивает длину участка световода, подвергающегося воздействию со стороны пластин, протяженностью зазора, и не обеспечивает в требуемой степени деформацию световода. Нахождение световода в зазоре в виде одиночного нескрученного проводника также ограничивает протяженность упомянутого выше участка световода. Оба этих фактора обуславливают недостаточную точность измерения и ограниченный диапазон измерения уровня среды.
Технический результат, достигаемый изобретением - повышение точности измерения уровня и расширение диапазона его измерения.
Указанный технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом измерителе уровня, включающем измерительный и опорный волоконно-оптические световоды; чувствительный элемент, воспринимающий измеряемое давление, механизм передачи реакции чувствительного элемента к измерительному световоду, включающий шток, связанный с чувствительным элементом, и опору с установленными в ней напротив друг друга с зазором элементами, расположенными с возможностью механического воздействия на измерительный световод в области между упомянутыми элементами; средства, изолирующие область прохождения световодов от измеряемой среды; источник излучения, подсоединенный к входам измерительного и опорного световодов; первый и второй фотоприемники, подключенные входами к выходам световодов, а выходами - к устройству регистрации и обработки сигнала, в механизме передачи реакции чувствительного элемента к измерительному световоду шток установлен соосно в сквозном отверстии опоры, механически связанной с чувствительным элементом; элементы, воздействующие на измерительный световод, выполнены в виде двух планок, установленных подвижно на осях между опорой и штоком; в верхней части штока, концентрически с ним размещена полая втулка, боковая поверхность которой находится в контакте с выполненными в планках выступами с размещенными в них подшипниками, а измерительный световод в области между планками выполнен в виде, по крайней мере, одного витка, закрепленного на планках.
Указанный технический результат достигается также тем, что чувствительный элемент выполнен в виде мембраны.
Указанный технический результат достигается также тем, что волоконно-оптический измеритель уровня снабжен полым стаканом, герметично соединенным с опорой и содержащим отверстия для прохода измеряемой среды к чувствительному элементу.
Указанный технический результат достигается также тем, что измерительный световод в области между планками содержит пять витков.
Указанный технический результат достигается также тем, что средства, изолирующие область прохождения световодов от измеряемой среды, выполнены в виде полой трубы, механически пристыкованной своим нижним торцом к опоре.
Указанный технический результат достигается также тем, что волоконно-оптический измеритель уровня содержит дополнительный волоконно-оптический световод для контроля оптических потерь в измерительном световоде.
Изобретение иллюстрируется рисунками. На фиг. 1 схематически изображен заявляемый измеритель уровня.
Волоконно-оптический измеритель уровня содержит источник излучения - лазер 1, связанный с входами трех волоконно-оптических световодов - измерительного, опорного и дополнительного. Опорный 2 и дополнительный световоды 3 могут быть образованы как ответвления от общего световода 4, являющегося измерительным, В этом случае сигнал лазера 1 подается непосредственно на вход световода 4, и далее часть излучения (как правило, не более 10%) ответвляется на световод 2, а затем на световод 3.
Измерительный световод 4 непосредственно участвует в процессе измерения давления, световод 2 измеряет опорный сигнал - исходную мощность излучения на входе измерительного световода 4. Дополнительный световод 3 может использоваться как опционный для контроля оптических потерь в измерительном световоде 4, возникающих, например, в результате старения.
Все световоды 2, 3 и 4 могут быть выполнены в виде одномодового волокна.
Область, в которой проходят световоды 2, 3 и 4, изолирована от окружающей среды с помощью полой трубы 5. Верхний торец трубы 5 может быть открытым (давление в трубе в этом случае равно Ратм), а нижний торец пристыкован к опоре 6.
В нижней части опора 6 соединена с мембраной 7, воспринимающей действующее на нее давление Р. Кроме того, опора 6 в своей нижней части соединена с полым стаканом 8, в котором выполнены сквозные отверстия. В результате этого между нижней поверхностью мембраны 7 и дном стакана 8 образуется полость, которая посредством отверстий в стакане 8 сообщается с жидкой средой.
Мембрана 7 механически связана со штоком 9, который проходит через сквозное отверстие в опоре 6. В верхней части опоры 6, на осях 10, закрепленных между опорой 6 и штоком 9, подвижно установлены напротив друг друга планки 11. В верхней части штока 9, концентрически с ним размещена полая втулка 12 с выполненными на ее боковой поверхности конусообразными плечиками 13. Посредством плечиков 13 втулка 12 находится в постоянном контакте с выполненными в планках 11 выступами с размещенными в них подшипниками 14.
Втулка 12 сидит на штоке 9 по плотной посадке для обеспечения надежного контакта со штоком 9.
Измерительный световод 4 в зазоре между планками 11 выполнен в виде, по крайней мере, одного витка 15, имеющего в исходном положении форму, например, кольца, и закрепленного с противоположных концов на планках 11. В предпочтительном варианте изобретения количество витков измерительного световода в зазоре между планками 11 выбирается не менее пяти.
Шток 9, опора 6, планки 11 с подшипниками 14, и втулка 12 с плечиками 13 образуют механизм передачи реакции мембраны 7 к измерительному световоду 4.
Выходы измерительного световода 4 и опорного световода 2 подсоединены к первому и второму фотоприемникам 16 и 17, соответственно. В случае использования дополнительного световода 3 его выход соединяется с фотоприемником 18.
Выходы фотоприемников 16, 17 и 18 подсоединены к устройству регистрации и обработки сигнала 19, которое может быть реализовано в виде микропроцессорного устройства (МУ). Входные цепи МУ содержат последовательно соединенные программируемые усилители (ПУ) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
Заявляемый измеритель уровня работает следующим образом.
Волоконно-оптический измеритель уровня помещается в емкость 20 с жидкой средой 21, и жидкость, через отверстия в стакане 8 заполняет полость между мембраной 7 и дном стакана 8, воздействуя на мембрану 7. Давление Р, действующее на мембрану 7, в случае открытой емкости будет равно давлению среды Рср + Ратм.
Излучение, генерируемое лазером 1, распространяется по световодам 2 и 4. Фотоприемник 17, связанный с выходом опорного световода 2, регистрирует исходную величину интенсивности оптического излучения No, распространяющегося по световоду 4.
Под действием давления Р мембрана 7 перемещается и ее перемещение передается штоку 9. Когда давление Р увеличивается, шток 9 вместе с втулкой 12 перемещается вверх. Конусообразные плечики 13 втулки 12 давят на выполненные в планках 11 выступы, в результате чего планки 11 расходятся друг относительно друга, растягивая виток 15 световода 4. Возникающая при этом деформация витка 15 (измерительного световода 4 в зазоре между планками 11) пропорциональна величине действующего на мембрану 7 давления Р.
t
Механическая деформация световода 4 приводит к возникновению в нем потерь излучения, и величина оптического сигнала N, распространяющегося по световоду 4 в обратном направлении и регистрируемая фотоприемником 16, будет меньше исходной величины No.
Выходные сигналы фотоприемников 16, 17 и 18 поступают на микропроцессорное устройство 19. В программируемых усилителях МУ 19 аналоговые сигналы фотоприемников усиливаются, причем коэффициент усиления сигнала Ку выбирается в соответствии с используемым диапазоном давлений (уровней), а в АЦП осуществляется преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму.
o
t
Микропроцессорное устройство 19 рассчитывает величину разности (N-N), которая является мерой оптических потерь в измерительном световоде 4, обусловленных величиной давления Р, действующего на мембрану 7 и определяет давление жидкой среды Рср, а затем, по формуле (1) - и ее уровень.
Применение предлагаемого волоконно-оптического уровнемера обеспечивает более эффективное механическое воздействие на измерительный световод со стороны механизма передачи реакции мембраны к измерительному световоду, что приводит к повышению степени деформации упомянутого световода. Кроме того, повышение степени деформации измерительного световода в области взаимодействия с механизмом передачи реакции мембраны достигается за счет выбора формы световода в этой области в виде нескольких витков, что существенно увеличивает протяженность деформируемого участка измерительного световода.
Оба этих фактора позволяют - по сравнению с устройством, принятым в качестве ближайшего аналога - повысить точность измерения уровня и расширить диапазона его измерения.
ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент США №5072617, МПК G01F 23/16, 1991 г.
2. Патент РФ №2064665, МПК G01F 23/14, 1996 г.
3. Заявка WO №95/05583, МПК G01F 23/14, 1995 г.
4. 3аявка США №2015/204743, G01L 7/08, 2015 г.
5. Заявка Японии №2006284275, МПК G01F 23/14, 2006 г.
6. Патент США №5372044, МПК G01N 3/00, 1994 г.