ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР
EXPLOSION-PROOF FIBER-OPTIC LEVEL GAUGE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения уровня жидкостей в резервуарах любого типа в нефтяной и химической промышленности.
Аналогом данного технического решения является ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКИХ СРЕД, содержащий источник светового излучения, соединенный с излучающим волоконно-оптическим световодом, и приемный волоконно-оптическим световод, связанный с измерительной системой, а входной торец приемного световода расположен на границе раздела жидкой и газообразной сред (патент RU 1840401 на изобретение, заявка: 2279420/28, от 21.05.1980, МПК G01F 23/22, G01F 23/30, опубликован: 20.11.2006 Бюл. №32.
Недостатком данного уровнемера является то обстоятельство, что входной торец приемного световода должен располагаться на границе раздела жидкой и газообразной сред, что может ограничить сферу применения. Еще одним недостатком рассматриваемого уровнемера является не большой диапазон измерения, определяемый размерами торца приемного световода.
Другим аналогом данного технического решения является УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ (патент RU 2306531 на изобретение, заявка: 2006117719/28 от 24.05.2006, МПК G01F 23/22, G01F 23/30, опубликован: 20.09.2007 Бюл. №26).
Уровнемер жидкости содержит вертикальную трубу 1, охватывающую коаксиально установленный в ней цилиндрический корпус 2 с кольцевым зазором (от двух до пяти сантиметров). Кольцевой зазор герметично закрыт от контакта с измеряемой жидкостью горизонтальной перегородкой 3, покрытой зеркальным (отражающим) слоем с внутренней стороны и размещенной над каналами, сообщающими внутреннюю полость цилиндрического корпуса с измеряемой жидкостью в резервуаре. В верхней части уровнемера размещена ступенчатая полая насадка, в ступени меньшего диаметра которой закреплена с возможностью ограниченного вертикального перемещения труба. Ступенчатая насадка имеет опорное основание, которое герметично закрепляют на световом люке вертикального резервуара при помощи болтового соединения. Ступени насадки разделены герметично установленной стеклянной перегородкой, которая защищает внутреннюю полость большего диаметра от влияния отложений и паров измеряемой жидкости на работу контрольно-измерительных приборов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический уровнемер, содержащий источники и приемники оптического излучения, размещенные в блоке обработки измерительной информации, связанные оптическими волокнами, с волоконно-оптическим сенсором установленном на контролируемом объекте. [ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (патент RU 2564683 на изобретение, заявка: 2014111955/28, от 27.03.2014, МПК G01F 23/22, опубликован: 10.10.2015 Бюл. №28). (прототип)].
Волоконно-оптический уровнемер содержит источники излучения, например, полупроводниковые светодиоды, подводящие (ПОВ) и отводящие (ООВ) оптические волокна, оптические стержни, корпуса, состоящие из трех частей: полых трубок, втулок со сквозным внутренним отверстием, наконечников с цилиндрическим сквозным отверстием, трубу, заглушку, приемники излучения, например, фотодиоды.
Наконечник выполнен в виде цилиндра и усеченного конуса, причем цилиндр является основанием для усеченного конуса, малое основание которого обращено в сторону шаровидного сегмента стержня.
i
i
Недостатком данного уровнемера является то обстоятельство, что он является сигнализатором с числом измерительных каналов равным N=Н/Δ, где Δ - порог срабатывания, Н- диапазон измеряемого уровня.
i
Так, например, при Н=20 м и Δ=5 мм, число измерительных каналов N будет равно 4000.
Другим недостатком рассматриваемого уровнемера является непосредственный контакт шарового сегмента с жидкостью, уровень которой необходимо измерить, что может ограничить сферу применения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и повышение его надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что: в известном волоконно-оптическом уровнемере содержащем источник и приемник оптического излучения, размещенных в блоке обработки измерительной информации, связанные оптическим волокном, с волоконно-оптическим сенсором установленном на контролируемом объекте, новым является то, что источник оптического излучения соединен с оптическим входом акустооптического модулятора, выход которого связан с входным портом первого циркулятора, выходной порт циркулятора соединен с фотоприемником, двунаправленный порт первого циркулятора соединен оптическим волокном с двунаправленным портом второго циркулятора размещенном в сенсоре, выходной порт которого соединен с первым полюсом первого волоконно-оптического Y-разветвителя, выполненным из одномодового оптического волокна, второй полюс первого Y-разветвителя соединен с входным портом третьего циркулятора, а третий полюс первого Y-разветвителя соединен с вторым полюсом второго Y-разветвителя, при этом первый полюс второго Y-разветвителя соединен с входным портом второго циркулятора, а третий полюс второго Y-разветвителя соединен с выходом третьего циркулятора, двунаправленный порт которого расположен в фокусе объектива коллиматора, выход фотоприемника через усилитель соединен с частотным детектором, при этом управляющий вход акустооптического модулятора соединен с высокочастотным электронным генератором, частота которого изменяется по пилообразному закону
min
ƒ=ƒ+bt, -T≤t≤T,
max
min
где - b=(ƒ-ƒ)/T, Т≤с/2L, с - скорость света, L - минимальное расстояние от сенсора до поверхности измеряемого уровня жидкости.
Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым, промышленно применимым и обладающим изобретательским уровнем, т.е. предлагаемое изобретение отвечает критериям патентоспособности.
На фиг. 1 приведена функциональная схема волоконно-оптического уровнемера:
1 - одномодовый лазер, 2 - акустооптический модулятор, 3 - высокочастотный управляемый генератор, 4 - первый циркулятор, 5 - фотоприемник, 6 - частотный детектор, установленные в блоке обработки измерительной информации - 7. В сенсоре - 8, размещены: второй циркулятор - 9, 10 - первый Y-разветвитель, 11 - второй Y-разветвитель, 12 - третий циркулятор, 13 - объектив коллиматора. Сенсор - 8 установлен на емкости - 14, в которой измеряется уровень жидкости. Блок обработки измерительной информации - 7 связан с сенсором - 8 волоконно-оптическим кабелем - 15.
На фиг. 2 представлен график изменения частоты акустооптического модулятора.
Волоконно-оптический уровнемер работает следующим образом.
Излучение с частотой ν одномодового лазера 1, направляется в акустооптический модулятор 2. Высокочастотный вход акустооптического модулятора 2 соединен с высокочастотным генератором 3, частота которого ƒ меняется по пилообразному закону (фиг. 2)
где ; -Т≤t≤Т.
1
1
В момент времени t на выходе акустооптического модулятора 2 частота излучения будет ν+ƒ.
1
Излучение частотой ν+ƒ, с выхода акустооптического модулятора, направляется на входной порт первого циркулятора 4, и далее через двунаправленный порт циркулятора 4, при помощи длинного волоконно-оптического кабеля 15, соединяющего блок обработки измерительной информации 7, с сенсором 8, попадает на двунаправленный порт второго циркулятора 9, размещенном в сенсоре 8. Сенсор 8 устанавливается непосредственно на емкости 14, где необходимо измерять уровень.
2
2
1
2
1
2
1
2
1
Далее излучение проходит через выходной порт второго циркулятора 9, первый полюс первого волоконно-оптического Y-разветвителя 10, входной порт третьего циркулятора 12, двунаправленный порт третьего циркулятора 12 и объектив коллиматора 13, в фокусе которого расположен торцевая поверхность двунаправленного порта третьего циркулятора 12. Излучение, достигнув поверхности жидкости и отразившись от нее, собирается объективом коллиматора 13 на торцевой поверхности двунаправленного порта третьего циркулятора 12 и через его выходной порт попадает на второй полюс второго волоконно-оптического Y-разветвителя 11. Излучение с частотой ν+ƒ пришедшее с третьего полюса первого волоконно-оптического Y-разветвителя 10 в момент времени t, и излучение с частотой ν+ƒ пришедшее с второго полюса второго волоконно-оптического Y-разветвителя 11 суммируются, в результате на его первом полюсе наблюдается биение интенсивности суммарного светового потока с частотой ƒ-ƒ. Суммарный световой поток с разностной частотой Δƒ=ƒ-ƒ через входной порт второго циркулятора 9, попадает на его двунаправленный выход и далее по волоконно-оптическому кабелю 15 направляется на входной порт первого циркулятора 4 и фотоприемник 5. Разностная частота Δƒ, которая пропорциональна времени прохождения излучения от объектива коллиматора до линии раздела воздух-жидкость Δt=t-t, измеряется частотным детектором 6.
Время необходимое для прохождения излучения расстояния L от коллиматора до поверхности жидкости и обратно будет:
где с - скорость света.
2
1
В момент времени t=t+Δt частота излучения на первом входном полюсе второго волоконно-оптического Y-разветвителя, будет:
2
min
2
ν+ƒ=ν+ƒ+bt,
1
а на втором входном полюсе второго волоконно-оптического Y-разветвителя излучение будет с частотой ν+ƒ. При этом разность частот
2
1
Δƒ=ƒ-ƒ=Δtb или
Подставляя (3) в (2), получим
8
-8
6
6
6
-8
14
-2
min
max
Так, например, принимая максимальное значение измеряемого уровня равным L=30 м., период изменения частоты акустооптического модулятора Т=2L/c=60/3⋅10=20⋅10 сек. При ƒ=20⋅10 Гц, ƒ=200⋅10 Гц, значение b будет b=180⋅10/20⋅10=9⋅10 сек.
8
14
-6
с/2b=3⋅10/2⋅9⋅10=0,166⋅10 м⋅сек.
С учетом соотношения (4), номинальная статическая характеристика измерителя уровня будет
-6
L=0,166⋅10Δƒ
То есть разности частот 1 Гц. будет соответствовать L=0,166 мкм.
Технический результат предлагаемого изобретения следующий. В предлагаемой конструкции волоконно-оптического уровнемера реализовано непрерывное измерение уровня жидкости, что позволяет контролировать уровень жидкости в широких пределах и с высокой точностью. Так при погрешности измерения частоты частотным детектором Δƒ=1 гц., погрешность измерения уровня составляет ΔL=0,166 мкм.
Сенсор, в предлагаемой новой конструкции волоконно-оптического уровнемера не содержит активных элементов, требующих электрического питания, что позволяет его использовать на самых взрывоопасных и пожароопасных объектах.
Источники информации:
1 Патент на изобретение RU 1840401 «ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР ЖИДКИХ СРЕД», МПК G01F 23/22, приоритет от 21.05.1980;
2 Патент на изобретение RU 2306531 «УРОВНЕМЕР ЖИДКОСТИ», МПК G01F 23/22, приоритет от 20.09.2007;
3 Патент на изобретение RU 2564683 «ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ», МПК G01F 23/22, приоритет от 27.03.2014.