CN102597721B - 光纤液面检测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在存在光纤的情况下检测液面的中空棱镜，包括：中空件；密封中空件的介质件，一个介质件相对于其他介质件以一倾斜角布置；以及设置在所述介质件之间的密封中空空间，其中，入射光束以垂直入射通过第一介质件进入并通过第二介质件作为出射光束射出，并且其中，当中空件没有浸没在液体介质中时出射光束保持未偏移，而当中空件浸没在液体介质中时出射光束经历偏移。本发明还提供了一种具有用于检测液面的中空棱镜的光纤液面检测器。

Description

光纤液面检测器

技术领域

本发明涉及一种用于检测液面(liquid level)的中空棱镜。本发明还涉及一种具有本发明的中空棱镜的光纤液面检测器。

背景技术

罐中的液面可通过多种方法来检测，即，以机械的或磁的方式耦接至外部读出器(read-out)的浮子(float)，或操纵超声波/光波的装置或电容式传感器(capacitance based sensor)。每种检测方法都具有其优点和缺点。

低温流体(诸如液态氮、液态氧、液态氢和液态氦)在工业、航空、空间技术和科学研究中有着广泛的应用。在这些应用领域的大多数中，对低温流体在填充或排放大型低温贮罐期间的动态特性的研究以及当这些操作以高流量实施时从数量上对这些流体的可靠监控已成为一个活跃的研究领域。特别地，对大型贮罐低温系统中的低温燃料和氧化剂液面的测量是一项极为重要的作业，特别是当应用领域涉及以协调方式对复杂检测仪表作业进行感测和调节时。

已使用多种液-汽(L-V)界面感测方法来促进这种液面检测。已知的方法依靠电阻、电容、声阻抗或粘性阻尼的不同来感测L-V界面的位置。在这些方法中，只有电容式感测系统得到了极大关注，普遍应用于航空航天工业中。但是，与成本高、响应慢、重量大和潜在的“电火花危险”相关的因素对其可靠性造成了一些问题，尤其是当用来在航空航天工业中检测燃料罐中的液面时。

为了解决与航空航天工业相关的燃料罐中的液面检测所特有的问题，已设计出各种光纤系统。这些系统较常规的液面感测法具有多个优点：例如，这些系统实际上是无电源的，固有地确保了液面感测时无火花，并且不涉及任何移动机械部件。在液态氢和液态氧所特有的爆炸性环境中，这些特征有助于在提高效率和减少维护工作量的情况下实现安全操作。另外，每单位体积的光纤比铜线轻四倍且硬六倍。光纤不产生也不易受EMI，因此消除了屏蔽/绝缘的需要，这使得光纤比其电气对应物轻得多。这种重量减轻在航空航天应用中是非常重要的。由于电信工业中对这些光纤系统的需求增加，因此它们在成本上也变得具有竞争性。另外，由于这些装置通过反射/折射的原理来感测液面，因此它们便于进行极高速的液面检测。

众所周知的光纤系统依靠像安装在两个光纤的端部处的小型全内反射棱镜或球面透镜、或圆锥形的光纤顶端附加物或U形的弯曲光纤这样的装置来进行液面检测。根据应用的不同，所述装置可受到一些限制。例如，在这些装置中，反射光的强度是液面感测的基础，反射光的强度取决于液体的折射率和棱镜所采用的材料的折射率。由于棱镜所采用的材料的折射率随着环境条件而改变，因此所述装置在尤其是用于测量低温液体的液面时需要在每种工作压力和温度下进行单独校准。还经常将这些装置设计成用于在180°的偏移角下工作，从某种意义上来说，这导致感测装置的“体积”相对增大。

这些感测装置的制造涉及将至少三个或更多个表面光学精加工至高表面精度，并保持精确的棱镜角。另外，感测装置相对于光导向装置的位置固定不变，并且不允许任何线性运动或角运动的自由。

US 6801678公开了一种使用基于菲涅尔反射的液面传感器的光纤液面检测器，其中，部分透射光在折射率不同的界面边界处反射回来，并且反射光强度取决于光纤和液体在环境条件下的折射率。

实心棱镜的折射特性不允许光束在未偏移的情况下透射。无论棱镜是处于空气中还是浸没在液体中，出射光束始终偏离入射光束。另外，当浸没在液体中时，这些棱镜的偏移量取决于液体介质的折射率和制造棱镜所采用的材料的折射率。这两个因素使得在基于实心棱镜的光纤液面检测器中每当液面测量时的液体改变或者其工作条件动态地改变时则需要重新校准和重新定位程序。

发明目的

本发明的主要目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜。

本发明的一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其在存在来自光源的光束的情况下呈现出特有的环境相关性折射特性。

本发明的另一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其具有填充有空气或真空的密闭(leak-tight)棱镜(prismatic)中空空间。

本发明的又一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其中，液面检测过程与制造中空棱镜所采用的光学材料的折射率无关。

本发明的再一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其中，存在于中空棱镜的液面感测区中的光学材料的体积减小。

本发明的又一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其中，像液体的压力和温度这样的环境条件的改变不影响中空棱镜的折射特性。

本发明的再一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其中，当中空棱镜没有浸没在液体介质中时，出射光束未偏离入射光束的方向。

本发明的再一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其中，当中空棱镜浸没在液体介质中时，出射光束偏离入射光束的方向。

本发明的再一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其具有沿三条基准轴的三个线性运动自由度以及绕z轴的一个旋转运动自由度。

本发明的一个目的还在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其在液体介质中能作为浮子。

本发明的另一个目的在于提供一种具有本发明的用于检测液面的中空棱镜的光纤液面检测器。

附图说明

图1为本发明的中空棱镜的等轴视图。

图2为本发明的中空棱镜的正视图和横截面图。

图3(a)、图3(b)为本发明的中空棱镜的方案视图，图示了当没有放置在液体介质中时未偏移的光束的出射以及当浸没在液体介质中时偏移的光束的出射。图3(c)图示了中空棱镜沿x轴、y轴和z轴的可能的线性运动自由度以及绕z轴的可能的旋转运动自由度。

图4为图表的图形表示，示出了分别针对30°、45°和60°的特定棱镜角按照液体的折射率而标绘的出射光束的偏移。

图5为连同一体式准直透镜一起的中空棱镜的正视图和横截面图。

图6图示了连同一体式光纤发射器一起的本发明的中空透镜的正视图和横截面图。

图7图示了连同一体式光纤发射器和准直透镜一起的中空棱镜的正视图和横截面图。

图8为具有在罐中保持在固定位置处的中空棱镜的本发明的光纤液面检测器的图解视图。

图9为连同没有准直透镜的中空棱镜一起的本发明的光纤液面检测器的正视图和横截面图。

图10为连同中空棱镜和准直透镜一起的本发明的光纤液面检测器的正视图和横截面图。

图11为封装在壳体中的本发明的光纤液面检测器的整体视图。

图12图示了本发明的六个光纤液面检测器的排列。

图13为连接至控制器的本发明的光纤液面检测器的框图。

图14为连接至控制器的本发明的六个光纤液面检测器的排列的框图。

本发明内容

本发明提供了一种用于通过来自光源的光束来检测液面的中空棱镜，包括用多个介质件密封的中空件，一个所述介质件相对于其他介质件以一倾斜角布置，并且在介质件之间形成密闭中空空间。根据中空棱镜的光束由此射出的表面分别是处于空气中还是浸没在液体中，从中空棱镜出射的光束保持未偏离进入到中空棱镜中的光束的方向或者经历偏移。本发明还提供了一种具有本发明的用于检测液面的中空棱镜的光纤液面检测器。

发明的说明

本发明提供了一种用于检测液面的具有特有的折射特性的中空棱镜，使用光源来照亮中空棱镜。本发明的中空棱镜包括中空件，所述中空件的一端与其轴线垂直地切割，而另一端相对于第一端成一很大角度地切割。所述圆柱体的各个端部，在用一对薄的透明或半透明介质件密封以使这些端部对于所测试的液体而言密封时，在中空圆柱体内获得(trap)棱镜中空空间。这构成了本发明的中空棱镜。这种中空棱镜呈现出这样的折射特性，即，所述折射特性突出以垂直入射进入到中空件中的外部光束的方向与所述光束在沿中空件的轴线通过中空件传播之后从中空件出射时的方向之间的特性关系。根据中空棱镜的出射表面分别是处于空气中还是浸没在液体中，从中空棱镜出射的光束保持未偏离入射光束或者经历偏离入射光束。当光纤接收器收集从中空棱镜出射的光束时，能容易地以高效率和高分辨率来辨别由于所述中空棱镜附近的“气态到液态”的变化或“液态到气态”的变化所导致的光束方向的变化。本发明的光纤接收器用作方向滤波器。

由此，本发明提供了一种当保持在液体外部时具有折射特性的中空棱镜，以使通过中空棱镜的一条较短边进入中空棱镜的光束以“未偏离”中空棱镜的最长边的方式出射。换句话说，当浸没在液体中时，从中空棱镜出射的光束在其出射方向上经历偏移。偏移量取决于液体的折射率以及棱镜角，并与制造棱镜装置所采用的材料无关。

因此，本发明的中空棱镜在液面检测时所利用的原理为当中空棱镜的周围环境从气态变成液态或从液态变成气态时，被光源照亮的中空棱镜的折射特性发生变化。

现在将参照附图对本发明的实施例进行说明。图中的图1和图2图示了中空棱镜的等轴视图、正视图、以及横截面图。所述中空棱镜包括中空件101，所述中空件作为用于如下所述的中空棱镜的壳体。中空件101的几何形状以具有圆柱形对称的方式来构造。中空件101的终端分别构成相对于入射光束由此进入中空件101的位置而限定的近端和远端。在本发明中，作为一个示例性实施例，中空件101的几何形状或构造以圆柱形对称示出。但是，对于中空件101而言，使用其他适当的形状或构造，诸如多边形构造，也落入本发明的范围中。中空件101由与待检测液面的液体兼容的不透明/透明、金属或非金属材料制成。兼容性因素还被认为是基于中空件101的所选材料的化学和机械强度/对所使用的液体的抵抗性、以及其温度和压力条件。中空件101的表面上设置有平坦表面106，以用于在如下所述的液面感测期间阻止中空件101的移动。

中空件101的近端设置有第一平面102，所述第一平面定向成与圆柱形的中空件的几何轴线“a”垂直。此表面上的开口便于来自光源的光束进入中空件101中。

中空件101的远端也设置有第二平面103。第二平面103布置成相对于第一平面102以倾斜角“α”倾斜。倾斜角“α”的值根据中空棱镜的设计参数(诸如特定折射率的液体所需的光束的偏移范围)来选择。倾斜角“α”从广泛的棱镜角中选出，并取决于待检测液面的液体的折射率。因此，倾斜角“α”可设置成在10°-70°范围内、优选地在30°-45°范围内的一个角。

第一介质件104布置在中空件101的第一平面102上，并密闭地密封。每当在检测期间中空件101浸没在液体中时，该密封装置防止液体通过第一介质件104与第一平面102之间的接合处进入到中空件101中。类似地，第二介质件105也布置在第二平面103上，并密闭地密封第二平面103。

第一介质件104和第二介质件105的这种布置确保了布置在第二平面103上的第二介质件105相对于第一介质件104以期望的倾斜角“α”而定位。

第一介质件104和第二介质件105为由金刚石、蓝宝石、石英、硅、锗、无定形熔凝石英、硼硅酸盐冕、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)或其组合制成的透明或半透明平行板或膜。第一介质件104和第二介质件105的材料也能从能透射所施加的光束并呈现出介质特性的任何材料中选出。

第二介质件105的厚度根据液面感测的操作条件下的机械强度要求来确定，包括液体的工作温度、压力以及液体与介质件105的反应性。第二介质件105的厚度能适当地改变，并处于100微米(μ)至1mm的范围内。但是，在此应理解的是，厚度因素并非一种约束，而是本发明能采用任何适当厚度的介质件104和105，并且本发明的中空棱镜能在介质件的厚度减小的情况下用于液面检测。

在本发明中，第一介质件104和第二介质件105的表面被抛光，以使其能透过从中穿过的光束。但是，第一介质件104和第二介质件105的表面无需为了高表面精度而光学精加工。

介质件104和105在分别密封在第一平面102和第二平面103上时在其间获得密闭棱镜中空空间107。

如果密封中空空间107在常规的温度和压力下填充有空气或者抽空以包含真空，则中空棱镜的特性保持不变。确保当中空件101浸没在液体介质113中以进行液面检测时，液体没有进入到密封中空空间107中。

图3为在中空件101内在第一介质件104与第二介质件105之间获得的中空空间107的方案视图。中空棱镜的第一介质件104对应于中空棱镜的较短边，来自所选光源的入射光束109通过所述较短边以垂直入射进入中空棱镜。第二介质件105对应于中空棱镜的最长边，其中，出射光束110以入射角“α”进入105。

因此，第一介质件104和第二介质件105的内表面连同密封中空空间107一起特定地对应于本发明的中空棱镜或棱镜装置。

在本发明中，作为一个示例性实施例，中空件101的几何形状被示出为圆柱形。但是，每当中空件101使得将第一介质件104定位成其较短边以允许来自所选光源的入射光束109进入并将第二介质件105定位成其最长边以射出对应的出射光束110并且第二介质件105相对于第一介质件104以一倾斜角布置，则可改变中空件101的形状。

在本发明中，密封中空空间107的尺寸和体积不会改变工作效率，且因此能根据中空件101的制造因素而改变。因此，密封中空空间107形成填充有空气或真空的密闭棱镜中空空间。如果需要，能将存在于液面感测区中的光学材料的体积减小至微升。

图3(a)图示了本发明的中空棱镜的方案视图，示出了来自光源的光束109的入射。图3所示的中空棱镜包括第一介质件104和第二介质件105，所述第一介质件和第二介质件分别形成具有密闭密封中空空间107的中空棱镜的较短边和最长边。光纤发射器108(其是多模光纤)传递来自光源的单色入射光束109。50/125微米的多模硅玻璃纤维用于光束的发射和接收。也能根据用于液面感测的液体的特定性质适当地使用以单模或多模工作的其他兼容的光纤元件，诸如聚合物、石英、蓝宝石等。光源可为激光或发光二极管或可见光至红外光范围内的任何光源。在本发明中，使用5mW、633nm波长的激光二极管作为穿过光纤发射器108的用于中空棱镜的输入光源。每当通过使用适当的透镜使从多模光纤出射的光束过度偏离，则对光束进行校准。如图3所示，芯尺寸为50微米的光纤接收器112与光纤发射器108同轴地布置。光纤接收器112作为方向滤波器。在此应理解的是，光纤接收器112的芯尺寸可适当地改变。

在没有液体113的情况下，每当入射光束109通过中空棱镜同轴地传播并作为未偏移的光束110出射，则光纤发射器108和光纤接收器112的同轴定位便于从光纤发射器108出射的入射光束109被光纤接收器112接收。

第二介质件105的射出表面105a的临界点与光纤接收器112的接收表面111的临界点之间的空间间隔距离“d”根据中空棱镜在液面检测时所使用的液体的最小折射率来确定。空间间隔距离“d”的确定如下所述。

如下所述的光检测器141连接至光纤接收器112和控制器142，所述控制器根据中空棱镜分别暴露于气相或液相中而发射ON/OFF型信号。

图3(b)图示了浸没在液体介质113中的中空棱镜的方案视图，示出了中空棱镜传输来自光源的入射光束109的方式。图3(b)所示的中空棱镜包括第一介质件104和第二介质件105，所述第一介质件和第二介质件分别形成具有密闭密封中空空间107的中空棱镜的较短边和最长边。光纤发射器108将单色入射光束109传递至中空棱镜。光纤接收器112使得接收表面111的临界点定位在距离中空棱镜的射出表面上的临界点105a的距离“d”处并与光纤发射器108同轴地设置。光纤发射器108和光纤接收器112的同轴定位便于检测未接收作为偏移的出射光束114从中空棱镜的点105a射出的光束。

如下所述的控制器142连接至光纤接收器112的较远端，检测光检测器141的输出状态的变化，估计从中空棱镜出射的光束是未偏移型还是偏移型114，并对应地触发显示器，以表明中空棱镜是处于空气中还是处于液面变化的液体中。

本发明的中空棱镜的折射特性为当中空棱镜保持在液体介质外部时，如图3(a)所示，通过中空棱镜的一个较短边进入中空棱镜的光束以“未偏离”中空棱镜的最长边的方式出射。当浸没在液体中时，如图3(b)所示，从中空棱镜出射的光束在其出射方向上经历偏移。

图3(c)图示了中空棱镜沿传感器的基准轴或绕传感器的基准轴的可能的运动自由度。中空棱镜具有绕参考系中的z轴的一个可能的旋转自由度以及沿参考系中的x轴、y轴和z轴中的每个轴的三个可能的线性位移自由度。这意味着本发明的中空棱镜无需在与光纤管道之间的距离固定的情况下刚性地连接至光纤管道并为中空棱镜的射出表面上的临界点提供固定的初始关系。即使允许中空件101作为浮子随着液面一起移动，中空棱镜的工作也保持不变。为了用这种装置来测量液面，需要通过便利的机构使浮子停止在任何期望的位置处。因此，中空棱镜能作为浮子随着液面一起自由地线性移动，并停止在需要测量液面的位置处。

所选液体113可为非低温液体或低温液体。能用在本发明中的液体包括具有不同折射率的各种液体，但不限于，即，水、奶、液体推进剂、液态氢、液态氧、液态氮、有毒流体、酒精、油、煤油、以及石油产品(折射率从1.1至1.7)。

当中空棱镜浸没在液体中时，光束的偏移量取决于液体介质113的折射率，并与制造棱镜装置所采用的材料无关。因此，本发明的中空棱镜仅取决于所选液体113的折射率，而不取决于特别是在低温液体环境中动态地变化的液体的其他条件，诸如温度和压力。换句话说，本发明的中空棱镜的折射特性不受温度和压力的环境条件影响。此特性表现出并导致使用中空棱镜的液面感测的一个特殊优点，在任何所测试的液体的环境条件(例如压力和温度)在液面检测期间经历动态地变化时，光纤接收器112都无需重新定位。

图4为当介质113的折射率在1-1.7的范围内时光束114的角偏移的变化的图表。相同的图还图示了棱镜角对这种关系的影响。作为一个示例性实施例，下面给出了当对应的折射率为1.1、1.195和1.33的液态氢、液态氮和水分别代表介质113时对预期的偏移角的估计。对于α＝30°，当用本发明的光纤液面检测器117(在图8中示出)检测液态氢时，图3所示的偏移的光束114经历2.5°的偏移，而当检测液态氮和水的液面时，相同的光束分别以5°和7.5°的角偏移。如果倾斜角增大，则对应的偏移角的量也呈现出对应的增大。知道对偏移角的这种估计将有助于确定射出表面105a的临界点与光纤液面检测器117的接收表面111的临界点之间的空间距离“d”。因此，如下所述，本发明的光纤液面传感器117能用于在液体的折射率高于通过距离“d”确定的临界值时检测具有可变折射率的不同液面。

空间间隔距离“d”能设计成在折射率为1.1及以上的所有液体中实施液面检测，当角α＝30°时，产生低至2.5°的偏移。例如，对于折射率为1.1的液态氢，产生2.5°的偏移(当α＝30°时)，如果接收表面111的临界点处的设计水平偏移为5mm，则tan(2.5°)等于5/d，或者d×tan(2.5°)＝5，由此计算出“d”(mm)。

因此，中空棱镜在浸没在液体中时所带来的光束偏移量仅完全取决于所测量的所选液体113的折射率和适当的棱镜角。

图5为中空件101的正视图和横截面图。在此实施例中，介质件104被圆柱形几何形状的准直透镜115代替。中空件101的内径与准直透镜115的外径以紧公差配合。准直透镜115同轴地定位在中空件101内，以使透镜的底部平面端与表面102齐平。当准直透镜的壁与中空件101的内表面之间的空间为了密闭而密封时，在准直透镜的顶部平面116与介质件105之间获得密闭棱镜空间。这构成了此实施例中的中空棱镜。在此实施例中，中空棱镜变成容许从光纤发射器108出射的光束的偏离的较小改变。

图6图示了本发明的中空棱镜的另一个实施例的正视图和横截面图。如图6所示，中空棱镜直接与位于中空件101的近端处的光纤发射器108成一体。光纤发射器108的自由端终止在金属箍(ferrule)108a和金属帽108b中，所述金属箍和金属帽都是圆柱形的。金属箍108a的外径与中空件101的内径以紧公差配合。金属箍108a靠近中空件101的近端同轴地定位并为了密闭状态而密封。此发明中的金属箍108a由陶瓷材料制成，并且也可将任何其他适当的材料用作金属箍或帽。在此实施例中，光纤发射器108以其形成第一平面102a的顶部表面代替第一介质件104而布置，并作为中空棱镜的较短边，并且具有其倾斜角的第二介质件105作为中空棱镜的最长边，光束从所述最长边从中空棱镜出射。换句话说，现在在光纤发射器102a的顶部平面与介质件105b之间获得中空空间107。在此实施例中，光纤发射器108使用单模光纤来制造。这种光纤输出在距离“d”上基本保持单向性的光束，且因此无需用于有效操作的额外的准直透镜。

图7图示了本发明的中空棱镜的又一个实施例的正视图和横截面图。在此实施例中，额外的准直透镜115同轴地放入光纤发射器108的光纤发射器102a的顶部平面与介质件105b之间的中空空间内。设置在陶瓷金属箍108a中的光纤发射器108通过中空件101的近端的开口装配。光纤发射器108密闭地密封中空件101的近端。同样作为本发明的一个实施例，其中，准直透镜115布置在光纤发射器108与介质件105b之间，以校准来自光纤发射器108的光束。准直透镜115的顶部表面116现在代替第一介质件104而起作用，并作为中空棱镜的较短边，并且介质件105b作为中空棱镜的最长边，光束从所述最长边出射。本发明中所使用的准直透镜115是具有固定焦距的圆柱形透镜或长度为6mm、直径为2mm且焦距为2mm的梯度折射率透镜(gradient index lens)。但是，在此应考虑到的是，在此提供的准直透镜115的规格是用来表示特性，而非一个限制性因素。

本发明还提供了一种具有用于在存在光源120的情况下检测液面的中空棱镜的光纤液面检测器，现在将参照图8-图14对所述光纤液面检测器进行说明。液面检测器117包括本发明的中空棱镜，并布置在填充有期望的液体113的密封罐或容器118中，所述流体具有如119所示的待检测液面的水平面。

罐118用盖121密封。连接有光源120，以通过光纤发射器108传输用于液面检测器117的中空棱镜的光束。光纤接收器112通过用于检测是否存在来自光纤接收器112的光束的光检测器141连接至控制器142。光纤接收器112布置成当不存在液体时接收未偏移的光束而当存在液体时不接收偏移的出射光束。光纤接收器112耦接至光检测器141，以生成ON/OFF型电压或电流信号，从而表明中空棱镜分别处于气态或液态环境中并便于在任何液体的填充/排放操作期间进行远程调节和控制。还可使用本发明的液面检测器来构造液面检测系统，以在所测量的液柱的限制高度上连续地监控液面。

图9为包括支撑件122的液面检测器117的正视图和横截面图，所述支撑件为杆状或柱状结构，以支撑液面检测器117的其他相关部件。具有一对开口126和127的光纤发射器支架125通过开口126连接至支撑件122。光纤发射器108以可穿过的方式布置，以穿过光纤发射器支架125的开口127，所述开口有效地阻止了光纤发射器108在x-y平面中的平移运动。夹具(fixture)129具有一对开口126a和127a。所述夹具通过开口126a连接至支撑件122。相同的夹具还通过开口127a连接至光纤发射器108。夹具129有效地阻止了光纤发射器108沿z轴的平移运动。安装在支撑件122上的隔离元件128有助于使夹具129保持与光纤发射器支架125平行。夹具131具有一对开口126b和127b。所述夹具通过开口126b连接至支撑件122并通过开口127b连接至中空件101。安装在支撑件122上的隔离元件130有助于使夹具131保持与夹具129平行。使用紧固件132将中空件101连同上述连接元件一起稳固地连接至支撑件122。中空件101的表面上设置有平坦部106，以阻止中空件101的旋转移动。

应注意的是，图9所示的中空件101不包含准直透镜115。

支撑件122上安装有具有近端和远端的距离调节器124。距离调节器124为可变长度的套筒或隔离件。夹具133为光纤接收器支架并具有一对开口126c和127c。所述夹具通过开口126c连接至支撑件122。光纤接收器112以可穿过的方式穿过开口127c连接至夹具133。夹具133还布置成抵靠距离调节器124的远端。夹具133不仅保持光纤接收器112与光纤发射器108同轴还防止光纤接收器112经历x-y平面中的任何平移运动。距离调节器124为布置成使第二介质件105的介质件105b的临界点105a与光纤接收器112的接收表面111的临界点之间的距离“d”固定的间隔件。

具有一对开口126d和127d的夹具135通过开口126d连接至支撑件122。所述夹具还通过开口127d连接至光纤接收器112。夹具135用于阻止光纤接收器沿z轴的平移运动。安装在支撑件122上的隔离件134有助于使夹具133和135保持彼此平行。使用紧固元件123来紧固夹具133和135。光纤接收器112通过光检测器141连接至控制器142。控制器142处理由光检测器141检测到的信号，以估计在液面检测期间在光检测器141处是否存在光束。

保持件136通过夹具137连接至支撑件122，以像锚一样起作用并用于将液面检测器117悬挂在罐118中。

图10为如图8所示的液面检测器117的正视图和横截面图，其中，液面检测器的中空件101包含准直透镜115。在所有其他方面，所述液面检测器的构造与图9所示的相似。

图11为封装在壳体138中的液面检测器117的整体视图，所述壳体具有用于使液体在液面检测期间进入到壳体138中的开口139。

图12图示了六个光纤液面检测器的排列，每个光纤液面检测器的构造与117相同并在不同的空间位置处串行地布置在具有液体113的罐中，以用于检测罐118中的对应的多个位置处的液面。大量这种光纤液面检测器117的排列也能布置成用于在罐118的任何区域处以不同的空间分辨率检测液面。

现在将参照图13和图14对通过使用本发明的光纤液面检测器来检测液面的方法进行说明。

现在将对罐118填充有所选液体以及排放所述液体时的方法进行说明。

图13为连接至光检测器141和控制器142的本发明的光纤液面检测器的框图。

为了在用期望的液体填充罐期间检测罐118中的液面，光纤液面检测器布置在罐118中的期望位置处，将液体填充到该位置。允许液体进入罐118。触发光源120，并且允许对应的光束109穿过液面检测器117，只要液体没有到达介质件105b的临界点105a，由光纤接收器112收集未偏移的光束。光检测器141感测来自光纤接收器112的光束，并以电压或电流的形式将电信号传输至控制器142中的信号调节模块。能使用响应时间为1msec或更小的任何基于半导体二极管的光检测器。控制器142为具有信号调节器和输入/输出装置的标准比例积分微分(PID)控制器。PID控制器通过信号调节器读取来自光检测器141的输入信号的状态，并根据预设的逻辑通过输出装置触发像泵、阀等的最终控制装置，以调节填充/排放的顺序。当液体到达介质件105b的临界点105a时，光束经历偏移并将在光检测器141处没有检测到光的对应信号传递给控制器142，从而表明在期望的液面处存在液体。此信号连接至电压比较器/阈值检测器，以确定罐中的液面。随后，通过控制器142估计电压或电流的模拟值，以表明液体113的液面。如图12和14所示，通过连同耦合器140一起使用光纤液面检测器117的排列，此操作还能用于多液面液体填充。本发明所使用的耦合器是这种类型的耦合器，即，其中，光从一个光纤被引导并分成“N”个相等强度的光束，并且每个光束被引导到“N”个单独的光纤中。光束的总数“N”与排列中所使用的光纤检测器的数量相同。在此发明中，作为一个示例性实施例，使单个光束分开以生成六个光束的耦合器用于独立地操纵六个光纤液面检测器，并且使用使单个光束分开所需的那么多个耦合器也落入本发明的范围内。

每当液面下降到本发明的光纤液面检测器117的介质件105b的临界点105a以下时，还以相似的方式确定罐118中的液面的排放。

本发明的优点

1.对于本发明的中空棱镜，液面检测过程仅取决于液体的折射率，而不取决于在低温液体环境中动态地变化的液体的其他条件，诸如温度和压力。

2.本发明的中空棱镜构造简单，工作稳定，无需特殊技能便可理解和操作，易于大规模制造，在工业上切实可行，并且无需高精度的光学表面。

3.在任何所测试的液体改变时都免除对本发明的光纤液面检测器的重新校准。

4.本发明的中空棱镜能通过减小中空棱镜的光学体积而小型化。

5.还允许本发明的中空棱镜具有x-y平面中的三个线性移动自由度以及绕z轴的一个旋转运动自由度，并且用作浮子并停止在期望的位置处以进行液面检测。

6.本发明的中空棱镜能在高达10巴的压力下和低至液态氦的温度下工作。

7.本发明的液面检测器的中空棱镜的方位能改变180°。

8.本发明的光纤液面检测器在填充以及排放操作期间呈现出相同的液面检测响应时间，并且由于检测以光速进行，因此响应非常快。

在不背离本发明的主旨和范围的情况下，本领域普通技术人员能对本发明做出各种改变和修改，以使其适应各种用途和条件。就这一点而论，这些改变和修改完全合理地应落入以下权利要求的等同物的整个范围内。

Claims (24)

1.一种用于在存在光束的情况下检测液面的中空棱镜，包括：中空件(101)，具有适当的几何形状；第一平面(102)，设置在所述中空件(101)的近端处，其中，所述第一平面(102)与所述中空件(101)的几何轴线“a”垂直地设置；第二平面(103)，设置在所述中空件(101)的远端处且关于所述第一平面(102)以倾斜角“α”设置；第一介质件(104)，密封至所述第一平面(102)；第二介质件(105)，密封至所述第二平面(103)；密封中空空间(107)，设置在所述第一介质件(104)与所述第二介质件(105)之间，其中，入射光束(109)通过所述第一介质件(104)进入并通过所述第二介质件(105)作为出射光束(110)射出，并且其中，当所述中空件(101)没有浸没在液体介质(113)中时所述出射光束(110)保持未偏移，而当所述中空件浸没在所述液体介质(113)中时所述出射光束经历偏移(114)。

2.根据权利要求1所述的中空棱镜，其中，所述中空件(101)是不透明的或透明的。

3.根据权利要求1所述的中空棱镜，其中，所述中空件(101)是金属的或非金属的。

4.根据权利要求1所述的中空棱镜，其中，所述几何形状为圆柱形或多边形。

5.根据权利要求1所述的中空棱镜，其中，所述倾斜角“α”在10°-70°的范围内。

6.根据权利要求5所述的中空棱镜，其中，所述倾斜角“α”在30°-45°的范围内。

7.根据权利要求1所述的中空棱镜，其中，所述第一介质件(104)和所述第二介质件(105)是透明的或半透明的。

8.根据权利要求1所述的中空棱镜，其中，所述第一介质件(104)和所述第二介质件(105)是由金刚石、蓝宝石、石英、硅、锗、硼硅酸盐冕、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)或其组合制成的透明平行板或膜。

9.根据权利要求1所述的中空棱镜，其中，所述密封中空空间(107)的尺寸是可变的。

10.根据权利要求1所述的中空棱镜，其中，代替所述第一介质件(104)，所述中空件(101)中同轴地设置有准直透镜(115)。

11.根据权利要求1所述的中空棱镜，其中，代替所述第一介质件(104)，所述中空件(101)中同轴地设置有光纤发射器(108)。

12.根据权利要求1所述的中空棱镜，其中，代替所述第一介质件(104)，所述中空件(101)中同轴地设置有准直透镜(115)和光纤发射器(108)。

13.一种光纤液面检测器(117)，包括：支撑件(122)；保持件(136)，连接至所述支撑件(122)；中空棱镜；距离调节器(124)，安装在所述支撑件(122)上；光纤接收器(112)，连接至所述距离调节器(124)的远端且与光纤发射器(108)同轴地设置以接收未偏移的光束；壳体(138)，具有用于液体的进入的开口(139)；检测器(141)，连接至所述光纤接收器(112)；以及控制器(142)，连接至所述检测器(141)，所述中空棱镜包括：中空件(101)，具有适当的几何形状；第一平面(102)，设置在所述中空件(101)的近端处，其中，所述第一平面(102)与所述中空件(101)的几何轴线“a”垂直地设置；第二平面(103)，设置在所述中空件(101)的远端处且关于所述第一平面(102)以倾斜角“α”设置；准直透镜(115)，同轴地设置在所述中空件(101)中；所述光纤发射器(108)，在所述中空件的所述近端处同轴地密封在所述中空件(101)中；介质件(105b)，设置在所述第二平面(103)上且密封；密封中空空间(107)，设置在所述光纤发射器(108)与所述介质件(105b)之间，并且其中，来自所述光纤发射器(108)的入射光束(109)通过所述介质件(105b)作为出射光束(110)射出，其中，当所述中空件(101)没有浸没在液体介质(113)中时所述出射光束(110)保持未偏移，而当所述中空件浸没在所述液体介质(113)中时所述出射光束经历偏移(114)。

14.根据权利要求13所述的光纤液面检测器(117)，其中，所述中空件(101)是不透明的或透明的。

15.根据权利要求13所述的光纤液面检测器(117)，其中，所述中空件(101)是金属的或非金属的。

16.根据权利要求13所述的光纤液面检测器(117)，其中，所述中空件(101)的构造为圆柱形或多边形。

17.根据权利要求13所述的光纤液面检测器(117)，其中，所述倾斜角“α”在10°-70°的范围内。

18.根据权利要求17所述的光纤液面检测器(117)，其中，所述倾斜角“α”在30°-45°的范围内。

19.根据权利要求13所述的光纤液面检测器(117)，其中，所述介质件(105b)是透明的或半透明的。

20.根据权利要求13所述的光纤液面检测器(117)，其中，所述介质件(105b)是由金刚石、蓝宝石、石英、硅、锗、硼硅酸盐冕、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)或其组合制成的平行板或膜。

21.根据权利要求13所述的光纤液面检测器(117)，其中，所述密封中空空间(107)的尺寸是可变的。

22.根据权利要求13所述的光纤液面检测器(117)，其中，代替所述介质件(105b)，所述准直透镜(115)同轴地设置在所述中空件(101)中。

23.根据权利要求13所述的光纤液面检测器(117)，其中，所述光纤液面检测器(117)是多个，多个所述光纤液面检测器(117)串行地连接。

24.根据权利要求13所述的光纤液面检测器(117)，其中，所述中空件(101)作为浮子设置在所述液体介质(113)中。