ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ И ВИДА ЖИДКОСТИ
FIBER-OPTICAL SIGNALER OF LEVEL AND TYPE OF LIQUID

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. Разность мощности френелевского отражения невелика, поскольку невелик и сам сигнал - 4% от вводимой мощности излучения для границы кварц-воздух. Для стационарных датчиков, работающих в нормальных условиях, это приемлемо, а датчики подвижных объектов, в частности летательных аппаратов, должны работать в условиях резких перепадов температур (-60…+85°С), вибрации и т.д. При этом дрейф сигнала на сигнальных волокнах может превышать разность сигналов от френелевского отражения на границе двух сред, что неприемлемо.
Известны также волоконно-оптические датчики уровня жидкости с приемным и передающим световодами, например а.с. SU 1275220. В этом случае излучение выходит из одного световода и принимается другим. Поскольку апертурный угол выходящего из световода излучения различен для воздуха и жидкости, различна и мощность принимаемого сигнала. Меняется апертурный угол и при смене жидкостей с различными показателями преломления, поэтому такую схему тоже можно использовать для определения типа жидкости. Однако и эта схема имеет тот же недостаток: т.к. разность показателя преломления жидкостей невелика, невелик и перепад мощности сигнала, в ряде случаев сопоставимый с погрешностью измерений.
Цель изобретения - создание помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости. Это достигается тем, что датчик содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения, передающий волоконный световод, чувствительный элемент, приемный волоконный световод и фотоприемник, подключенный к блоку обработки сигнала. Чувствительный элемент выполнен в виде установленных соосно в оправе с зазором двух отрезков волоконных световодов, одни торцы которых в зазоре оптически согласованы между собой, а другие оптически согласованы соответственно с передающим и приемным волоконными световодами. При этом чувствительный элемент также содержит внеосевые приемные световоды и фотоприемники, а расстояние между соосным и последующими внеосевыми приемными волоконными световодами является функцией рабочей длины волны излучения, апертурных углов световодов в измеряемых средах и расстояния между передающим и приемными световодами. Передающий торец световода выполнен в виде отражающих граней призмы Порро с ребром при вершине большего угла, проходящим через центр световедущей жилы и перпендикулярным плоскости, в которой расположены оптические оси световодов. Внеосевые приемные световоды могут быть расположены к оптической оси передающего световода под углом, не превышающим апертурный угол световода для соответствующей его положению среды.
Заявленные признаки являются существенными:
Когда чувствительный элемент датчика находится, например, в керосине, показатели преломления керосина и кварца практически совпадают, апертурный угол минимален и захватывает осевой приемный волоконный световод, который выдает сигнал на свой фотоприемник. В воздухе значительная часть сигнала не отражается, в отличие от классических схем геометрической оптики, от рабочих граней призмы обратно в световод, а распадается на гранях на два внеосевых луча и фиксируется на внеосевых световодах и фотоприемниках. Таким образом, датчик, бывший аналоговым для уровня жидкости и аналоговым для ее состава, становится по сути цифровым, дискретным, для уровня жидкости.
На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов конструкции:
Датчик состоит из передающего волоконного световода 1, приемных волоконных световодов 2, 3, 4, источника излучения 5 и фотоприемников 6, 7, 8, подключенных к блоку обработки сигнала (не указан). На свободном торце световода 1 сформированы отражающие грани призмы Порро. Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.
На Фиг. 2 показано прохождение излучения для варианта конструкции:
а) Ход лучей для воздуха. Засвечены световоды 2, 4.
б) Ход лучей для жидкости. Засвечен световод 3.
Фиг. 3: прохождение излучения для варианта конструкции. Внеосевые приемные световоды расположены к оптической оси передающего световода под углом:
а) Ход лучей для воздуха. Засвечены световоды 2, 4.
б) Ход лучей для жидкости. Засвечен световод 3.
Возможны варианты схем, например, один несоосный приемный световод.