ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛИЗАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
FIBRE-OPTIC LIQUID LEVEL INDICATOR

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления.
Известны датчики уровня жидкости с использованием электрических схем. Примером может служить датчик уровня жидкости для бака транспортного средства (патент РФ № 2284481).
Однако применение такого датчика 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 те же недостатки: т.к. зазор между торцами волокон должен составлять единицы миллиметров (иначе в процессе изменения уровня жидкости между ними может повиснуть капля или образоваться пузырек воздуха) потери полезного сигнала в воздухе могут достигать 20 дБ и более. В жидкости, вследствие изменения показателя преломления среды, апертурный угол меньше и сигнал несколько выше. Однако для безотказного срабатывания датчика желателен более мощный сигнал в воздухе и большая разность сигналов в воздухе и жидкости. Различить тип жидкостей с применением такой схемы сложно, т.к. разность показателя преломления жидкостей невелика, невелик и перепад мощности сигнала, в ряде случаев сопоставимый с погрешностью измерений.
Цель изобретения - создание пожаробезопасного и помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости и ее типа. Это достигается тем, что датчик содержит передающий и приемный волоконные световоды, установленные соосно с зазором между ними. Торцы световодов перпендикулярны оптической оси. Хотя бы один из световодов оптически сопряжен с собирающей линзой.
Варианты исполнения:
1. Одна линза со сферической передней поверхностью
2. Одна линза с асферической передней поверхностью
3. Одна шаровая линза
4. Одна наплавная линза
5. Две линзы со сферической передней поверхностью
6. Две линзы с асферической передней поверхностью
7. Две шаровые линзы
8. Две наплавные линзы
9. Линзы имеют гидрофобное, прозрачное для используемой длины волны покрытие
10. Линзы имеют олеофобное, прозрачное для используемой длины волны покрытие
Заявленные признаки являются существенными:
Когда торцы световодов датчика находятся в жидкости, показатели преломления линз и жидкости относительно близки, и излучение выходит расходящимся пучком, при этом апертурный угол меньше апертурного угла в воздухе, и он захватывает осевой приемный световод, который выдает сигнал на свой фотоприемник. В воздухе апертурный угол больше, но зато собирающие линзы преломляют излучение, коллимируют или фокусируют его, снижая потери сигнала в зазоре. Это упрощает обработку сигнала. Выбор материала (и показателя преломления линз) позволяет эффективно различать жидкости с различным показателем преломления.
Дополнительным положительным эффектом при этом является то, что выпуклая поверхность линз и их покрытие не удерживает каплю жидкости, как это часто происходит с плоским торцом световода, т.е. препятствует ложному срабатыванию датчика.
Для летательных аппаратов надежное разделение по типу жидкости особенно важно, поскольку ложное срабатывание датчика в топливном баке (наличие конденсатной свободной воды вместо керосина на замеряемом уровне) может привести к катастрофе из-за нехватки топлива.
На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов конструкции:
Датчик состоит из передающего волоконного световода 1, приемного волоконного световода 2, источника излучения 3 и фотоприемника 4, подключенных к блоку обработки сигнала (не указан). Торцы световодов 1 и 2 оптически сопряжены с шаровыми линзами 5 и 6 соответственно.
На Фиг. 2 показано прохождение излучения для варианта конструкции:
а) Датчик в воздухе, линза 5 коллимирует излучение, выходящее из торца световода 1, линза 6 фокусирует его на торце световода 2.
б) Датчик в керосине, линза 5 уменьшает апертурный угол излучения, выходящего из торца световода 1, линза 6 еще раз уменьшает апертурный угол излучения, засвечивая плоскость торца световода 2.
Возможны варианты схем, например, наплавные микролинзы, сформированные за счет поверхностного натяжения расплавленного конца световода (Фиг. 3 - прохождение излучения в воздухе), или линза только на одном из световодов, например, передающем.