Волоконно-оптическая система измерения уровня топлива

Мурашкина Т.И., Архипов А.В., Пивкин А.Г., Серебряков Д.И.

Пензенскийгосударственный университет

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ТОПЛИВА

В настоящее время современные и перспективные разработки авиационной, ракетно-космической и других отраслей техники нуждаются в определенной номенклатуре датчиков для систем контроля, диагностики, управления, к которым предъявляют повышенные требования, в первую очередь, работоспособность в жестких условиях эксплуатации и обеспечение безопасности. Особенно это актуально при измерении уровня взрывоопасных жидкостей. Существующие датчики и системы измерения уровня топлива, основанные на таких физических принципах как емкостный, индуктивный и др. требуют в конструкции изделия дополнительных систем и контуров защиты от случайного проскакивания искры, т.к. для преобразования измерительной информации используют электрические сигналы. Это в свою очередь приводит к увеличению массы авиационной, ракетной и другой техники. В вертолетной до настоящего времени используются поплавковые уровнемеры, занимающие до 10 % объема топливного бака, не позволяющие с высокой точностью выполнять измерения при наклоне бака относительно линии горизонта, а самое главное - механическая преобразующая система может выйти из строя при механических воздействиях.

Стоит задача в создании системы измерения уровня жидкости, отвечающей вышеупомянутым требованиям и исключающая недостатки существующих средств измерения уровня жидкости.

В работе [1] описан волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, который частично решает поставленную задачу. Недостатком данного сигнализатора является отсутствие возможности контролировать несколько значений уровня жидкости.

Для полного решения поставленной задачи разработана волоконно-оптическая система измерения уровня топлива (ВОСИУТ), приведенная на рисунке 1 [2].ВОСИУТ содержит источники излучения 1, например полупроводниковые светодиоды (лазеры), подводящие (ПОВ) 2 и отводящие (ООВ) 3 оптические

волокна, оптические стержни 4, Г-образные корпуса 5, трубу б, приемники излучения 11, например фотодиоды.

Стержни 4 имеют круглое сечение и выполнены с шаровидными сегментами на рабочем торце, обращенными в сторону жидкости, радиусом ^определяемым выражением:

с*ов<Д<1,5^в,

где dee - диаметр оболочки оптического волокна, из оптически прозрачного материала, например, из кварцевого стекла, для которого выполняется условие: Лср<Лт<Л1, где Лср, Лт, n - показатели преломления окружающей среды, топлива и стержня соответственно. Цилиндрическая часть стержней 4 закрепляется в Г-образных корпусах с помощью соединительного состава с коэффициентом преломления Л2, меньшим коэффициента преломления топлива nT (л2<лт), уровень которого измеряется, при этом шаровой сегмент выступает за пределы корпуса 5 на значение, равное радиусу стержня R.

Рисунок 1 - Упрощенная конструкция волоконно-оптической системы измерения уровня топлива

С источниками излучения 1 состыкованы ПОВ 2, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Труба б изготавливается длиною, не менее максимального значения измеряемого уровня топлива. Поперечное сечение трубы может быть круглым или прямоугольным. В трубе изготовлены сквозные отверстия так, чтобы их оси были перпендикулярны продольной оси трубы. Количество отверстий соответствует количеству точек съема информации об уровне топлива.

Корпуса 5 крепятся к трубе б с помощью сварки так, чтобы отверстия в верхней части корпуса 5 были совмещены с отверстиями в трубе б.

Герметизация трубы осуществляется с помощью заглушки в нижней части трубы. Внутренняя полость трубы б заполняется герметиком в целях исключения поломок оптических волокон при воздействии вибрации, ударов и т. п.

ООВ 3, количество которых равно количеству точек съема информации об уровне жидкости, соединены с приемниками излучения 11.

Оптические волокна 2 и 3 проходят внутри трубы б и через отверстия в трубе б протянуты к приемному торцу стержня 4.

Предлагаемая ВОСИУТ позволяет измерять несколько значений уровня жидкости с минимальной дискретностью равной Hi = dee•

Общее количество оптических волокон ВОСИУТ равно 2n, где n - количество контролируемых точек уровня жидкости, причем длина Li двух отдельных i-х волокон определяется соотношениями:

а) когда точки контроля уровня жидкости равноудалены:

Li > L+ [H - (i-l)Ail ,

б) когда точки контроля уровня жидкости распределены по длине емкости неравномерно:

n

Li > L+(H - £ Д, ), i=1

где L - длина участка от источника l или приемника излучения ll до емкости 19 (см. рисунок l); H- высота емкости l9 (или расстояние от верхней границы емкости до последней точки съема информации ); Li- расстояние между ближайшими точками контроля (см. рисунок l); i =l, 2,.., n - порядковый номер точки.

При отсутствии контакта шарового сегмента стержня 4 с жидкостью лучи света за счет выполнения условия полного внутреннего отражения отражаются от поверхности стрежня и возвращаются обратно к входному торцу стержня 4, преломляются и выходят из стержня 4, падая на приемный торец ООВ 3. По ООВ 3 поток излучения распространяется до приемника излучения ll, где происходит его регистрация.

При контакте шарового сегмента с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения, и большая часть излучения выходит из стержня, оставшаяся меньшая часть по ООВ 3 распространяется до приемника излучения ll.

Таким образом, наличию жидкости в зоне измерения соответствует высокий уровень напряжения приемника излучения ll, отсутствию жидкости - низкий уровень напряжения. Повышение или понижение уровня жидкости в емкости l9 ведет к последовательному срабатыванию измерительных каналов. Сигналы с приемников излучения ll в дальнейшем могут передаваться в систему обработки информации, которая может выдавать сигнал в виде последовательного дискретного повышения или понижения напряжения соответственно при повышении и понижении уровня жидкости, или обрабатывать индивидуально сигналы с каждого измерительного канала.

Таким образом, предлагаемая конструкция ВОСИУТ реализует дискретное измерение уровня жидкости, что позволяет контролировать несколько значений уровня жидкости в требуемых точках емкости, работоспособна в жестких условиях, обладает абсолютной искро- взрыво- пожаробезопасностью, т.к. в качестве передающей среды используется световой поток, и не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Серебряков Д. И., Мурашкина Т. И.,Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, патент на изобретение№22 976 02, MnKGOl F 23/22, 20.04.2007.

2. Патент РФ 2399887 Волоконно-оптический уровнемер и способ его изготовления / Серебряков Д.И., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г., Архипов А.В., Мытарев А.В.