ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД
FIBRE OPTIC LEVEL METRE

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения уровня жидких сред.
Известен волоконно-оптический измеритель уровня жидких сред, содержащий источник оптического излучения, многомодовый одноканальный волоконный световод, приемник оптического излучения, анализатор оптического излучения [1]. Волоконный световод выполнен с n изгибами, размещение которых соответствует определенным контролируемым значениям уровня жидкости.
На каждом изгибе световода происходит падение уровня мощности оптического излучения. Падение мощности на погруженном в жидкость изгибе больше, чем на не погруженном. Значение уровня жидкости определяется по изменению мощности светового излучения на входе и выходе световода.
i
i
Недостатком такого устройства является низкая чувствительность, малая точность измерений. Это связано с тем, что в известном устройстве каждый i-ый изгиб изготовлен с определенным радиусом R. Светопропускание волоконного световода на изгибе зависит от параметров световода, величины изгиба и свойств внешней среды (показателя преломления) [2, 3]. Так как мощность излучения после i-го изгиба является входной мощностью излучения для (i+1)-го изгиба, то увеличение количества изгибов, т.е. количества контролируемых точек измерения уровня жидкой среды, снижает чувствительность уровнемера из-за накапливающейся погрешности, и происходит уменьшение влияния показателя преломления исследуемой жидкой среды на выходные данные измерителя уровня жидких сред. При увеличении количества точек измерения, условие максимальной чувствительности волоконно-оптичесокго измерителя уровня жидких сред накладывает ограничение на минимальный радиус каждого изгиба R, что также ведет к уменьшению чувствительности каждого отдельного изгиба и, как следствие, приводит к общему уменьшению чувствительности измерителя уровня жидких сред.
i
Выходной сигнал известного волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред определяется величиной оптической мощности, выходящей из волоконного световода, которая зависит от величины мощности оптического излучения на выходе источника оптического излучения, суммы величин оптических потерь в местах изгибов волоконного световода. При увеличении количества точек измерения уровня жидких сред снижается точность измерителя уровня жидких сред, что обусловлено уменьшением абсолютных величин оптических потерь в волоконном световоде в каждой точке измерения уровня жидких сред из-за ограничения на минимальный радиус изгиба R, а также нестабильностью выходной мощности источника оптического излучения.
Технический результат, создаваемый изобретением, - повышение чувствительности и точности измерений волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред.
Указанный результат достигается тем, что волоконно-оптический измеритель уровня жидких сред, содержащий источник оптического излучения, волоконный световод, анализатор оптического излучения, снабжен поглотителем оптического излучения, размещенным между выходным торцом волоконного световода и анализатором оптического излучения, устройством обработки цифровых сигналов, при этом анализатор оптического излучения выполнен в виде спектрометра с выходным цифровым сигналом, волоконный световод выполнен в виде цилиндрической двуканальной связанной коаксиальной структуры, содержащей внутренний стержневой одномодовый волновод, разделительный слой и внешний трубчатый одномодовый волновод, выполненный с переменным показателем преломления по длине волоконного световода, и покрытый внешней оболочкой и защитным слоем, причем в защитном слое и оболочке волоконного световода выполнены технологические прорези для обеспечения контакта трубчатого волновода волоконного световода с измеряемой жидкой средой, выходной торец волоконного световода соединен с поглотителем оптического излучения, выполненным с возможностью поглощения оптического излучения из стержневого волновода и пропускания оптического излучения из трубчатого волновода на вход спектрометра, выход которого соединен с входом устройства обработки цифровых сигналов, а источник оптического излучения выполнен в виде одномодового широкополосного источника оптического излучения, выход которого соединен с волоконным световодом с возможностью введения светового потока в стержневой волновод волоконного световода.
На фиг.1 представлена блок-схема волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред.
На фиг.2 представлена структура волоконного световода и распределение показателей преломления в волоконном световоде.
На фиг.3 представлен вид волоконного световода, погруженного в измеряемую жидкую среду.
1 - одномодовый широкополосный источник оптического излучения, 2 - волоконный световод, выполненный в виде цилиндрической двуканальной связанной коаксиальной структуры, содержащей концентрически расположенные стержневой одномодовый волновод 6, разделительный слой 7, трубчатый одномодовый волновод 8, оболочку 9 и защитный слой 10, 3 - поглотитель оптического излучения, 4 - устройство спектрального анализа оптического излучения с выходным цифровым сигналом, 5 - устройство обработки цифровых сигналов.
Выход одномодового широкополосного источника оптического излучения 1 соединен с волоконным световодом 2. Стержневой волновод 6 предназначен для передачи оптического излучения по волоконному световоду 2. Трубчатый волновод 8 выполняет функцию отвода оптического излучения из стержневого волновода 6. Между стержневым волноводом и трубчатым волноводом находится концентрический разделительный слой 7. Трубчатый волновод покрыт оболочкой 9 и защитным слоем 10 (фиг.2). В защитном слое 10 и оболочке 9 волоконного световода 2 выполнены технологические прорези 11, доходящие по глубине до трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 для обеспечения контакта трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 с измеряемой жидкой средой в заданных точках измерения уровня. Выходной торец волоконного световода 2 соединен с поглотителем оптического излучения 3, поглощающим оптическое излучение из стержневого волновода 6 и пропускающим оптическое излучение из трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 на вход устройства спектрального анализа оптического излучения с выходным цифровым сигналом 4. Выход устройства спектрального анализа оптического излучения 4 соединен с входом устройства обработки цифровых сигналов 5.
ж
Волоконно-оптический измеритель уровня жидких сред работает следующим образом. Волоконный световод 2 помещают вертикально в измеряемую жидкость 12 (фиг.3). Световой поток от одномодового широкополосного источника оптического излучения 1 вводят в стержневой волновод волоконного световода 2. Если уровень измеряемой жидкости находится выше какой-либо прорези, например 11.1, на волоконном световоде, то жидкость 12 с показателем преломления n контактирует с трубчатым волноводом 8 волоконного световода 2 в этой точке, что обеспечивает удовлетворение условия полной связи стержневого волновода 6 и трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 на некоторой длине волны λ. При этом значительная часть оптического излучения на этой длине волны λ в данной точке 11.1 перетекает из стержневого волновода 6 в трубчатый волновод 8 волоконного световода 2. В результате, на выходе трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 образуется спектральная полоса оптического излучения со средней длиной волны λ, а оптическое излучение на выходе стержневого волновода 6 поглощается поглотителем оптического излучения 3. В любой другой точке волоконного световода, контактирующей с измеряемой жидкой средой 12, например 11.2, показатель преломления трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 имеет другую величину, в связи с чем, полная связь трубчатого волновода 8 и стержневого волновода 6 волоконного световода 2 будет достигаться на другой длине волны λ', и на выходе трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 образуется другая спектральная полоса оптического излучения со средней длиной волны λ'.
В результате взаимодействия внешней измеряемой жидкой среды 12 с волоконным световодом 2 в некоторых точках, в частности 11.1, 11.2, в трубчатом волноводе 8 волоконного световода 2 появляется полосатый спектр оптического излучения, каждая полоса которого соответствует своей измеряемой точке жидкой среды, где присутствует жидкость. В тех точках волоконного световода, где измеряемая жидкая среда не присутствует, например 11.3, то есть находится ниже или выше этих точек, условие полной связи стержневого волновода 6 волоконного световода и трубчатого волновода 8 волоконного световода обеспечиваться не будет, и выходной спектр оптического излучения трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 не будет содержать полос, соответствующих этим точкам.
Оптическое излучение из волоконного световода 2, находящегося в контакте с измеряемой жидкой средой, поступает на поглотитель оптического излучения 3, который поглощает оптическое излучение из стержневого волновода 6 и пропускает оптическое излучение из трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 на вход спектрометра с выходным цифровым сигналом. Спектрометр 4 производит анализ спектра оптического излучения из трубчатого волновода 8 волоконного световода 2 и передает результаты на вход устройства обработки цифровых сигналов 5. Устройство обработки цифровых сигналов 5 осуществляет с заданной периодичностью опрос спектрометра 4, цифровую обработку измерительной информации, внесение поправки на основе хранящихся в нем данных, полученных на этапе предварительной калибровки волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред, сохранение результатов обработки информации во внутренней энергонезависимой памяти, накопление информации и выдачу информации по командам, поступающим по внешнему цифровому интерфейсу устройства обработки цифровых сигналов 5. Уровень жидкой среды определяется на выходе устройства обработки цифровых сигналов 5 по количеству и расположению спектральных полос оптического изучения в заданном диапазоне длин волн, соответствующих контрольным точкам измерения уровня.
Так как оптическое излучение анализируется на наличие или отсутствие спектральных полос, то нестабильность мощности источника оптического излучения не вносит существенных погрешностей в работу устройства, и в связи с этим отпадает необходимость в использовании специальной схемы стабилизации источника оптического излучения.
ж
б
Диаметры и показатели преломления волоконного световода 2 подобраны так, что в точках измерения уровня жидкой среды удовлетворяется условие полной связи стрежневого волновода 6 и трубчатого волновода 8 волоконного световода 2, если внешняя среда, контактирующая с трубчатым волноводом 8 волоконного световода 2 через технологическую прорезь 11 в оболочке 9 и защитном слое 10 волоконного световода 2, имеет показатель преломления n, равный известному показателю преломления измеряемой жидкой среды. Ширина каждой прорези 11 в волоконном световоде 2 выбирается равной длине биения L световой волны длиною λ, для которой выполняется условие полной связи стержневого 6 и трубчатого 8 волноводов волоконного световода 2, при контакте измеряемой жидкой среды с волоконным световодом в зоне данной прорези.
r
t
Условие полной связи между стрежневым 6 и трубчатым 8 волноводами волоконного световода 2 возникают при равенстве постоянных распространения оптического излучения β=β,
r
t
где β и β - постоянные распространения оптического излучения в стержневом волноводе 6 и трубчатом волноводе 8 волоконного световода 2 соответственно. Причем
r
r
1
2
1
t
t
2
3
4
5
2
3
=
=
βf(n, n, r, λ), βf(n, n, n, n, r, r, λ, х),
1
2
3
4
5
1
2
3
где n, n, n, n - показатели преломления стержневого волновода 6, разделительного слоя 7, трубчатого волновода 8, оболочки 9 волоконного световода 2; n - показатель преломления внешней среды 12 или 13; r, r, r - радиусы стержневого волновода 6, разделительного слоя 7, трубчатого волновода 8 волоконного световода 2; λ - длина волны светового потока, от источника оптического излучения 1, для которой удовлетворяется условие полной связи стержневого волновода 6 волоконного световода и трубчатого волновода 8 волоконного световода; х - расстояние от уровня минимально детектируемого количества жидкой среды 12 до данной точки волоконного световода 2.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить чувствительность и точность волоконно-оптического измерителя уровня жидких сред за счет применения спектрального принципа действия измерителя. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить возможность измерения уровня жидкости, толщиной от нескольких миллиметров, и позволяет контролировать наличие измеряемой жидкой среды в десятках заданных точек. Так как волоконный световод не подвержен деформациям во время эксплуатации, то также увеличивается его долговечность и срок службы.
Изобретение может быть использовано для измерения уровня жидких сред как на границе с газовыми средами, так и на границе с другими жидкими средами.
Литература
1. Бусурин В.И., Гаврилин Б.Н., Жеглов М.А. Датчик уровня жидких сред с несколькими последовательными изгибами волоконного световода // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007, №8, с.42-44.
2. Затыкин А.А., Моршнев С.К., Францессон А.В. Взаимодействие излучения с поглощающей средой на участке световода с крутым изгибом // Квантовая электроника. 1983. №11.
3. Патлах А.Л., Семенов А.С. Светопропускание многомодовых оптических волокон // Квантовая электроника. 1983. №4.