CN1061476A - 光纤水银液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤水银液位传感器，该传感 器的结构为在J形连通器的细管中装有套筒，套筒的 上端固定着主光纤，主光纤的上顶端面上有反射面， 套筒内装有透镜，套筒的下端固定着传输光纤并与光 缆相连接，在J形连通器内装有水银，J形连通器的 粗管顶部由浮动活塞密封。本发明将光纤与水银结 合，实现了对液位进行大量程、高分辨率的连续测量， 可用于易燃易爆和电磁干扰极强的恶劣环境中的液 位测量。

Description

本发明属于液位计领域，具体涉及一种连续式光纤水银液位传感器。

现有的连续式光纤液位传感器如美国专利US4836632，由磁性浮筒、带反射面的磁性滑块以及光纤组成，磁性浮筒随着被测液位浮动，并带动磁性滑块移动，使反射面与光纤发生相对位移，通过检测从光纤反射回来的光强来确定被测液位。该发明的不足之处是测量范围很小，分辨率低，因此应用范围有限。

其它的光纤液位传感器，如西德专利DE3617717、欧洲公开EP0347095、瑞士专利CH647320等，都是点式的，不能进行连续测量。

因此对诸如油或其它易燃液体的液位尚不能进行大量程、高分辨率的连续测量。

本发明的目的在于实现全光信号的液位传感器，因此可用于易燃、易爆和电磁干扰极强的恶劣环境中进行安全可靠的测量液位，并且实现大量程，高分辨率的连续测量，设计出一种稳定、可靠、实用、结构简单、易于加工生产的液位传感器。

本发明的技术方案是：在J型连通器的细管中装有套筒，套筒的上端固定着主光纤，套筒内装有透镜，套筒的下端固定着传输光纤并与光缆相连接，在J型连通器内装有水银，水银的液面必须超过套筒的上端平面，主光纤与水银组成水银包层波导，光纤的长度由传感器的测量范围决定，主光纤的直径由水银包层波导的损耗特性、测量范围以及光电测量的动态范围所决定，在J型连通器的细管中的水银面以上为真空，真空与主光纤组成真空包层波导，在主光纤的上顶端面上有反射面，J型连通器的粗管的顶部由浮动活塞密封，J型连通器的细管的上开口端由密封垫和密封盖密封，浮动活塞上有一个供封装水银时使用的可以旋转上下移动的顶杆。

主光纤为纯石英玻璃或多组份光学玻璃拉制而成，其两个端面需要进行研磨抛光。

主光纤端面上的反射面由银镜反应产生，或粘贴一个反射镜片而形成，或用真空蒸镀的办法产生。

主光纤与传输光纤的耦合通过透镜进行，这两个光纤端面为该透镜成象系统中的共轭面，即这两个端面互为象面，因此两根光纤的出光可以相互进行有效的耦合。

传输光纤从远端传来的光通过透镜进入主光纤，在主光纤中的水银包层波导和真空波导中传输，并被主光纤端面上的反射面发射回来，再通过透镜进入传输 光纤而被传回远端以供光电检测和信号处理。

J型连通器的粗管和细管的直径比很大，在使用中，粗管中的水银面的变化量远远小于细管中的水银面的变化量。

光进入传感器后的损耗取决于主光纤的水银波导的长度，这段波导越长，对光的损耗越大。

被测液位的变化反映在浮动活塞上所受到的压强的变化，这个压强通过水银传递给J型连通器的细管中的水银，使细管中的水银面发生变化，而达到平衡，从而引起水银包层波导的长度变化，于是从传输光纤返回的光信号强度随之变化，在传输光纤的远端检测入光与出光的相对强度变化即可转换为被测液位的变化。

本发明的优点是：综合利用了水银的反光、吸光特性和大比重的特点以及光纤的传光特性，因此可进行大量程的连续测量，并且分辨率高，对于比重为0.8的油，量程可达20m，分辨能力为4mm;由于水银的化学特性和物理特性都很稳定，因此可进行稳定可靠的测量;由于光的损耗（dB值）与被测液位的变化成线性关系，所以使信号处理大为简化;由于是全光信号，无电信号，并可进行长距离传输，因此可用于易燃易爆和电磁干扰极强的恶劣环境中的液位测量。

本发明有如下附图：

图1  光纤水银液位传感器结构图;

图2  水银包层波导的损耗率与其直径的关系曲线;

图3  水银波导的损耗与其长度的关系曲线。

实施例：

在J型连通器（1）的细管（3）中装有套筒（9），套筒（9）的上端固定着主光纤（4），套筒（9）内装有透镜（10），套筒（9）的下端固定着传输光纤（11）并与光缆（12）相连接，在J型连通器（1）内装有水银（2），水银（2）的液面必须超过套筒（9）的上端平面，主光纤（4）与水银（2）组成水银包层波导（5），主光纤（4）的长度由传感器的测量范围决定，主光纤（4）的直径由水银包层波导（5）的损耗特性、测量范围以及光电测量的动态范围所决定，在J型连通器（1）的细管（3）中的水银（2）的液面以上为真空（6），真空（6）与主光纤（4）组成真空包层波导（7），在主光纤（4）的上顶端面上有反射面（8），J型连通器（1）的粗管（13）的顶部由浮动活塞（14）密封，J型连通器（1）的细管（3）的上开口端由密封垫（16）和密封盖（17）密封，浮动活塞（14）上有一个可以上下旋转移动的顶杆（15）。

主光纤（4）由纯石英玻璃拉制。传输光纤（11）为通用多模光纤，光缆（12）为普通单芯光缆。J型连通器（1）、浮动活塞（14）、顶杆（15）以及密封盖（17）都用奥氏不锈钢加工而成。反射面（8）由银镜反应产生，并覆盖有防氧化涂层。

将水银灌入并封装在J型连通器（1）中的过程是：将浮动活塞（14）上的顶杆（15）往下拧，使浮动活塞（14）被限制在一定的位置;从J型连通器（1）的细管（3）的顶端开口处灌水银（2），灌满为止;放上密封垫（16），拧上密封盖（17）;松开顶杆（15），细管（3）中的水银自然流入粗管（13）中，由于重力和大气压，J型连通器（1）中两端的水银柱的压差将与外界大气压达到平衡，这时，两个水银面的高度差为初始值，约为760mm，并且细管（3）的上部将自然形成一定的真空（6），这样做的真空度大约为10^-3amt。

从远端通过传输光纤（11）传来的光由透镜（10）耦合到主光纤（4）中。在水银波导包层（5）中，光在水银界面上产生部分反射，传至真空包层波导（7）中;由于真空的折射率低于任何固体介质的折射率，因此光在真空包层波导（7）中将被全反射而无损耗地传输。光通过反射面（8）反射回来，再通过透镜（10）耦合到传输光纤（11）中。由于光在水银包层波导（5）中的有损耗传输，其损耗与水银包层波导（5）的长度成正比，而被测液体通过浮动活塞（14）作用于水银（2），使水银包层波导（5）的长度与被测液位高度成正比。于是，在光缆（12）的远端通过检测入光与出光的相对强度变化即可得到被测液位值。

如果本实施例用于测量比重为0.8的，对于10m液位测量范围，相应的水银柱的变化范围为588mm。如果采用动态范围为50dB、分辨能力为0.01dB的光电检测电路，根据图2的关系曲线，为了使这588mm长的水银包层波导（5）的损耗为50dB，取主光纤（4）的直径为1.76mm。这样即可获得1/5000的液位分辨率，即这10m的液位范围可分辨2mm。

由于J型连通器（1）的细管（3）中的密封不可能达到绝对的真空，这将引起细管中（3）的水银面的升降与被测液位的变化关系出现微小非线性。为了尽量减少这种非线性，J型连通器（1）的细管（3）比主光纤（4）高出一段，使真空（6）的体积远远超过水银在J型连通器（1）的细管（3）中升降时的体积变化量。为了长期保持这个真空，除了采用奥氏不锈钢来做J型连通器（1）以外，还要在J型连通器（1）的外涂一层憎水涂料以防止水的侵蚀所造成的氢离子通过金属的渗透。

利用这种压强传感光波导的原理和结构还可以制成测量压力的压力传感器。

Claims (4)

1、一种由套筒(9)、传输光纤(11)和反射面(8)组成的光纤水银液位传感器，其特征是在J型连通器(1)的细管(3)中装有套筒(9)，套筒(9)的上端固定着主光纤(4)，套筒(9)内装有透镜(10)，套筒(9)的下端固定着传输光纤(11)并与光缆(12)相连接，在J型连通器(1)内装有水银(2)，水银(2)的液面必须超过套筒(9)的上端平面，光纤(4)的长度由传感器的测量范围决定，主光纤(4)的直径由水银包层波导(5)的损耗特性、测量范围以及光电测量的动态范围所决定，在主光纤(4)的上顶端面上有反射面(8)，J型连通器(1)的粗管(13)的顶部由浮动活塞(14)密封，J型连通器(1)的细管(3)的上开口端由密封垫(16)和密封盖(17)密封。

2、如权利要求1所述的光纤水银液位传感器，其特征在于主光纤（4）为折射率均匀的透明材料拉制。

3、如权利要求1所述的光纤水银液位传感器，其特征在于主光纤（4）上的反射面（8）由银镜反应产生，或粘贴一个反射镜片而形成，或用真空蒸镀的办法产生。

4、如权利要求1所述的光纤水银液位传感器，其特征在于浮动活塞（14）上有一个可以上下旋转移动的顶杆（15）。

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