Волоконно-оптическая система измерения уровня жидкости

Серебряков Д.И. , Мурашкина Т.И. , Граевский О.С. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Предложена новая волоконно-оптическая система измерения уровня жидкости (ВОСИУЖ), разработанная на базе волоконно-оптических сигнализаторов уровня жидкости (ВОСУЖ), предназначенная для дискретного измерения уровня жидкости в требуемом диапазоне измерения, отличающаяся повышенной надежностью.

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.

В настоящее время существующие датчики и системы измерения уровня жидкости, 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.

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

В работе [1] описан ВОСУЖ, который частично решает поставленную задачу. Недостатками данного сигнализатора является отсутствие возможности контролировать несколько значений уровня жидкости.

Для полного решения поставленной задачи предлагается конструкция волоконно-оптической системы измерения уровня жидкости (ВОСИУЖ), приведенная на рисунке 1.

ВОСИУЖ содержит источники излучения 1, например полупроводниковые светодиоды (лазеры), подводящие 2 и отводящие 3 оптические волокна, оптические стержни 4, Г-образные корпуса 5, состоящие из трех частей 6, 7, 8, трубу 9, заглушку 10, приемники излучения 11, например фотодиоды.

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

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

¿ов < К < 1,53ов,

где - диаметр оболочки оптического волокна, из оптически прозрачного материала, например,

из кварцевого стекла, для которого выполняется условие:

Лср < Пж < nl,

где Лср, Пж, п1 - показатели преломления окружающей среды, жидкости и стержня соответственно.

А-А

Рисунок 1 - Конструкция волоконно-оптической системы измерения уровня жидкости

Предлагаемая ВОСИУ позволяет измерять несколько значений уровня жидкости с минимальной дискретностью равной ¿1 =

Цилиндрическая часть стержней 4 закрепляется в конусообразной втулке 6 корпуса 5 с помощью соединительного состава 12 с коэффициентом преломления Л2, меньшим коэффициента преломления жидкости Пж (П2 < Пж), уровень которой измеряется, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 6 корпуса 5 на значение равное К.

Подводящее оптическое волокно 2 и отводящее оптическое волокно 3 закреплены во втулке 7 корпуса 5 с помощью клея 13, обладающего большой упругостью. Части 6, 7, 8 корпуса 5 соединены между

собой с помощью сварки 14, при этом центры торцов подводящего оптического волокна 2 и отводящего оптического волокна 3 смещены относительно центра торца стержня 4 на значение равное (^в/2 ...1,5 сЗов/2). Количество корпусов соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Труба 9 изготавливается длиною, не менее максимального значения измеряемого уровня жидкости. Поперечное сечение трубы может быть круглым или прямоугольным. На рисунке 1 для примера приведена круглая труба. В трубе изготовлены сквозные отверстия так, чтобы их оси были перпендикулярны про-

дольной оси трубы. Например, как показано на рисунке 1, отверстия выполнены равномерно по спирали с равномерным шагом, соответствующим расстоянию между точками съема информации. Количество отверстий соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Корпуса 5 крепятся к трубе 9 с помощью сварки 15 так, чтобы отверстия в верхней части корпуса 5 были совмещены с отверстиями в трубе 9.

Герметизация трубы осуществляется с помощью заглушки 10, которая крепится к трубе 9 с помощью сварки 16. Внутренняя полость 17 трубы 9 заполняется герметиком 18 (на рисунке 1 не показан) в целях исключения поломок оптических волокон при воздействии вибрации, ударов и т.п.

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

Оптические волокна 2 и 3 проходят внутри трубы 9 и через отверстия в трубе 9 протянуты к приемному торцу стержня 4.

Общее количество оптических волокон ВОСИУ равно 2л, где п - количество контролируемых точек уровня жидкости, причем длина Ь± двух отдельных 1-х волокон определяется соотношениями (рисунок

2):

а) когда точки контроля уровня жидкости равноудалены:

1л > Ь + [Н - (1-1)Д1],

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

п

ь > Ь + (н - Ха, ),

1=1

где Ь - длина участка от источника 1 или приемника излучения 11 до емкости 19 (см. рисунок 3); н - высота емкости 19 (или расстояние от верхней границы емкости до последней точки съема информации) ; ¿1 - расстояние между ближайшими точками контроля (см. рисунок 3) ; 1 =1, 2,..., п - порядковый номер точки.

оптическое волокно

Рисунок 2 - К определению длины оптических волокон

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 отводящего оптического волокна 3. По отводящему оптическому волокну 3 поток излучения распространяется до приемника излучения 11, где происходит его регистрация.

При контакте шарового сегмента с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения, и большая часть излучения выходит из стержня (см. рисунок 3 точка А), оставшаяся меньшая часть по отводящему оптическому волокну 3 распространяется до приемника излучения 11.

Таким образом, наличию жидкости в зоне измерения соответствует высокий уровень напряжения приемника излучения 11, отсутствию жидкости - низкий уровень напряжения. Повышение или понижение уровня жидкости в емкости 19 ведет к последовательному срабатыванию измерительных каналов. Сигналы с приемников излучения 11 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 ВОСИУ 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.

б

Рисунок 3 - Схема распространения света в оптическом канале ВОСИУ

Литература

1. Серебряков Д. И., Мурашкина Т. И., Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, патент на изобретение №2297602, МПК 9 01 Е 23/22, 20.04.2007.