ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР-СИГНАЛИЗАТОР ДАВЛЕНИЯ
FIBER-OPTIC LEVEL GAUGE-PRESSURE INDICATOR

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для дискретного измерения уровня или давления жидкости (например, топлива в топливных баках), в том числе непрозрачной  (например, нефти), в условиях повышенной искро- взрыво- пожароопасности, воздействия вибраций, ударов, изменения температуры окружающей среды в диапазоне минус (100…+150) °С (и более) на изделиях авиационной, ракетно-космической, морской техники, нефтегазовой отрасли и в других отраслях техники.
Известен волоконно-оптический уровнемер, содержащий последовательно соединенные источник излучения, волоконно-оптическую линию передачи, чувствительный элемент и приемник излучения. Чувствительный элемент выполнен в виде прямолинейного волоконно-оптического световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала. Значение показателя преломления уменьшается снизу вверх в соответствии с определенными соотношениями (Патент СССР SU 1280329 А1, кл. G 01 F 23/22, опублик. 30.12.86).
Недостатком указанного уровнемера является технологическая сложность получения с заданной точностью световода с изменяющимся вдоль оптической оси показателем преломления материала. При заполнении емкости жидкостью под большим напором, а также при наличии вибраций, ударов возможна поломка световода.
Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, содержащий источник и приемник излучения, подводящее и отводящие оптические волокна, чувствительный элемент, выполненный в виде стержня круглого сечения с шаровым сегментом на рабочем торце из оптически прозрачного материала с определенным коэффициентом преломления [патент РФ RU 2 297 602 C1, кл. G 01 F 23/22, №2297602 опублик. 20.04.07 (прототип 1)].
Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический уровнемер, содержащий источники и приемники излучения, к которым подстыкованы подводящие и отводящие оптические волокна соответственно, протянутые через трубу длиною не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости со сквозными отверстиями на боковой поверхности, жестко закрепленные на трубе корпуса, состоящие из неподвижно соединенных между собой трубок, втулок со сквозным отверстием, наконечников с цилиндрическим сквозным отверстием, в которых закреплены стержни круглого сечения с шаровидным сегментом из оптически прозрачного материала, к которым через отверстия в трубе подходят по одному подводящему и одному отводящему волокну, причем отверстия полых трубок совмещены с отверстиями в трубе, количество отверстий, корпусов и стержней соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости [патент РФ №2399887, МПК G 01 F 23/22 (прототип 2)].
Основным недостатком перечисленных уровнемеров является невозможность измерения уровня непрозрачных жидкостей, например, нефти, так как поверхность сегмента прозрачного стержня постепенно покрывается пленкой, препятствующей реализации принципа действия, основанного на нарушении условия полного внутреннего отражения при изменении коэффициентов преломления сред в зоне контакта стержня с жидкостью. Кроме того, указанные уровнемеры не могут быть использованы как сигнализаторы гидростатического давления.
В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающих заявленный технический результат.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей волоконно-оптического уровнемера за счет возможности измерения уровня практически всех типов жидкостей, а также гидростатического давления этих жидкостей.
Указанный технический результат достигается тем, что:
1) в известном волоконно-оптическом уровнемере-сигнализаторе давления, содержащем источники и приемники излучения, подводящие и отводящие оптические волокна, чувствительные элементы в виде стержней круглого сечения с шаровидными сегментами из оптически прозрачного материала, расположенными во внутреннем отверстии корпуса, количество которых равно количеству точек съема информации, новым является то, что в конструкцию введен упругий элемент, отделяющий чувствительный элемент от жидкости, продольная ось которого совпадает с продольною осью стержня, внутренний диаметр которого превышает диаметр стержня, герметично соединенный с одного торца с корпусом, другой торец которого глухой;
2) в волоконно-оптическом уровнемере-сигнализаторе давления по п.1 новым является то, что упругий элемент выполнен в виде сильфона, поверхность глухого торца которого, обращенная к стрежню, выполнена поглощающей и расположена относительно рабочей точки стержня на расстоянии, меньшем или равном максимального сжатия сильфона;
3) в волоконно-оптическом уровнемере-сигнализаторе давления по п.1 новым является то, что упругий элемент выполнен в виде сильфона, на поверхности глухого торца которого, расположен элемент, материал которого имеет коэффициент преломления, определяемый условием :
n<sub>0</sub> < n<sub>Э</sub> < n<sub>1</sub>,
(1)
0
Э
1
где n, n, n – показатели преломления окружающей газовой среды около стержня, элемента и стержня соответственно
и поверхность которого, обращенная к стрежню, расположена относительно рабочей точки стержня на расстоянии, меньшем или равном максимального сжатия сильфона;
4) в волоконно-оптическом уровнемере-сигнализаторе давления по п.1, новым является то, что глухой торец элемента выполнен в виде мембраны, поверхность которой обращенная к стержню выполнена поглощающей и расположена относительно рабочей точки стержня на расстоянии, меньшем или равном максимального прогиба мембраны;
5) в волоконно-оптическом уровнемере-сигнализаторе давления по п.1, новым является то, что глухой торец элемента выполнен в виде мембраны, материал которой имеет коэффициент преломления, определяемый условием
n<sub>0</sub> < n<sub>м</sub> < n<sub>1</sub>,
(2)
0
м
1
где n, n, n – показатели преломления окружающей газовой среды около стержня, мембраны и стержня соответственно
и поверхность которой, обращенная к стрежню, расположена относительно рабочей точки стержня на расстоянии, меньшем или равном максимального прогиба мембраны.
Предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.
На фигурах 1 и 2 приведены конструкции предлагаемого волоконно-оптического уровнемера-сигнализатора давления (ВОУ), если регистрация наличия жидкости осуществляется в одной точке емкости, причем на фигуре 1  - упругий элемент выполнен в виде сильфона, а на фигуре 2 - в виде мембраны; на фигуре 3 приведен ход лучей в оптическом стержне; на фигуре 4 приведена конструкция предлагаемого ВОУ, если регистрация наличия жидкости или сигнализация гидростатического давления осуществляется в нескольких точках емкости.
Один измерительный канал ВОУ содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения 1, например полупроводниковый излучающий светодиод, подводящее (ПОВ) 2 и отводящее (ООВ) 3 оптические волокна, чувствительный элемент (оптический стержень) 4, корпус 5, упругий элемент 6, приемник излучения 7, например фотодиод (фиг. 1 и 2).
Чувствительный элемент 4 выполнен в виде стержня из оптически прозрачного материала, например кварцевого стекла. Цилиндрическая часть чувствительного элемента 4 закреплена в корпусе 5 с помощью соединительного состава 8, при этом шаровой сегмент выступает за пределы корпуса 5 на значение большее или равное радиусу шарового сегмента R.
Упругий элемент 6, отделяющий оптический стержень 4 от жидкости (сохраняет поверхность сегмента прозрачного стержня 4 от появления  пленки при контакте с разными жидкостями), герметично крепится с одного торца на корпусе 5 (например, с помощью сварки 9) таким образом, чтобы продольная ось его совпадала с продольною осью стержня 4, при этом внутренний диаметр упругого элемента превышает диаметр стержня 4. Другой торец упругого элемента 6 глухой.
Возможны варианты исполнения упругого элемента 6:
1) упругий элемент выполнен в виде сильфона, поверхность 10 глухого торца которого, обращенная к стрежню 4, выполнена поглощающей и расположена относительно рабочей точки стержня на расстоянии, меньшем или равном максимального сжатия сильфона (см. фиг.1);
2) упругий элемент выполнен в виде сильфона, на поверхности 10 глухого торца которого расположен элемент (пластина) 11, материал которого имеет коэффициент преломления, для которого выполняется условие (1) и поверхность которого, обращенная к стрежню, расположена относительно рабочей точки стержня на расстоянии, меньшем или равном максимального сжатия сильфона (см. фиг.1);
3) глухой торец элемента 6 выполнен в виде мембраны 12, поверхность которой обращенная к стержню выполнена поглощающей и расположена относительно рабочей точки стержня на расстоянии, меньшем или равном максимального прогиба мембраны (см. фиг. 2);
4) глухой торец элемента 6 выполнен в виде мембраны 12, материал которой имеет коэффициент преломления, определяемый условием (2), поверхность которой, обращенная к стрежню, расположена относительно рабочей точки стержня на расстоянии, меньшем или равном максимального прогиба мембраны.
В качестве элемента 11 может использоваться стеклянная пластина, каучуковая пластина и пр. (см. фиг.1).
i
Расстояние Xмежду общим торцом оптических волокон 2, 3 и торцом чувствительного элемента 4 приблизительно равно 0…0,01 мм (см. фиг.1 и 2).
Устройство работает следующим образом.
Излучение источника излучения 1 направляется по ПОВ 2 к стержню 4. Поток излучения, излучаемый торцом ПОВ 2, падает на входной торец стержня 4, преломляется и распространяется по нему путем переотражения от цилиндрической поверхности до шарового сегмента (Патент РФ RU 2 297 602 C1, кл. G 01 F 23/22, №2297602 опублик. 20.04.07) (см. фиг. 3).
Если жидкость 13 в емкости 14 (см. фиг. 4) не дошла до глухого торца упругого элемента 6, то отсутствует контакт шарового сегмента стержня 4 с элементом 10 (или 11 или 12), при этом лучи света за счет выполнения условия полного внутреннего отражения внутри стержня 4 отражаются от поверхности стрежня 4 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 7, где происходит его преобразование в электрический сигнал (например, напряжение).
Если жидкость 13 дошла до глухого торца упругого элемента 6, то за счет гидростатического давления сильфон сожмется (мембрана 12 прогнется), при этом поглощающая поверхность 10 глухого торца сильфона (или пластина 11, или поглощающая поверхность мембраны 12) контактируют с шаровым сегментом стержня 4. При этом происходит нарушение условия полного внутреннего отражения внутри стержня 4, и большая часть излучения выходит из стержня 4 (см. фиг. 3 точка А),  оставшаяся меньшая часть по ООВ 3 распространяется до приемника излучения 7.
Таким образом, наличию жидкости 13 в зоне измерения соответствует высокий уровень напряжения приемника излучения 7, отсутствию жидкости 13 – низкий уровень напряжения.
Аналогичным образом работают другие измерительные каналы волоконно-оптического уровнемера, если регистрация наличия жидкости осуществляется в нескольких точках емкости (см. фиг. 2).
Повышение или понижение уровня жидкости в емкости 14 ведет к последовательному срабатыванию измерительных каналов. Сигналы с приемников излучения 7 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.
Технический результат предлагаемого изобретения следующий.
Предлагаемая новая конструкция волоконно-оптического уровнемера-сигнализатора давления позволяет производить измерение уровня или гидростатического давления любого типа жидкости в требуемых точках емкостей, работоспособна в жестких условиях нефтяной отрасли (например, в нефтехранилищах), ракетно-космической и авиационной техники и др., обладает абсолютной искро- взрыво- пожаробезопасностью и не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.