RU2297602C1 - Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости - Google Patents
Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости Download PDFInfo
- Publication number
- RU2297602C1 RU2297602C1 RU2005141285/28A RU2005141285A RU2297602C1 RU 2297602 C1 RU2297602 C1 RU 2297602C1 RU 2005141285/28 A RU2005141285/28 A RU 2005141285/28A RU 2005141285 A RU2005141285 A RU 2005141285A RU 2297602 C1 RU2297602 C1 RU 2297602C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical fiber
- liquid
- angle
- rod
- fiber
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для сигнализации наличия или отсутствия в зоне измерения прозрачной для инфракрасного излучения жидкости. Устройство содержит источник и приемник излучения, подводящее и отводящие оптические волокна, чувствительный элемент. Чувствительный элемент выполнен в виде стержня круглого сечения из оптически прозрачного материала, для которого выполняется условие n0<nв.ср<n1, где n0, nв.ср, n1 - показатели преломления воздуха, жидкости и стержня соответственно. Длина стержня L определена формулой. R - радиус шарового сегмента световода, обращенного в сторону измеряемых сред 1,5dов≤R≤2dов, где dов - диаметр оболочки оптического волокна. Отношение L/R должно отвечать определенным условиям. Технический результат - технологичность конструкции чувствительного элемента. 2 ил.
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для сигнализации наличия или отсутствия в зоне измерения прозрачной для инфракрасного излучения жидкости с коэффициентом преломления n>1,25, в условиях изменения температуры окружающей среды в диапазоне -100...+150°С на изделиях ракетно-космической техники (РКТ).
В результате поиска по источникам патентной и технической информации не обнаружены устройства с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающим заявленный технический результат.
Известен волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные источник света, подводящее оптическое волокно, чувствительный элемент, отводящее оптическое волокно и фотоприемник, подключенный к электронному блоку, при этом чувствительный элемент выполнен в виде установленных в оправе с зазором двух отрезков оптических волокон, одни торцы которых в зазоре перпендикулярны их оптическим осям, а другие оптически согласованы соответственно с подводящим и отводящим оптическими волокнами. Чувствительный элемент выполнен в виде оправы с коническими поверхностями, обращенными вершинами к зазору между отрезками оптических волокон, при этом расстояние от торцов отрезков оптических волокон до оправы не менее двух диаметров оптических волокон, а ширина зазора больше двух их диаметров (Патент SU 1275220 А1, кл. G01F 23/28, опублик. 07.12.86).
Недостатком указанного сигнализатора являются большие потери света из-за того, что большая часть светового потока в чувствительном элементе от подводящего оптического волокна распространяется вне аппертурного угла отводящего оптического волокна. Кроме того, необходима точная юстировка торцов подводящего и отводящего волокон относительно друг друга в чувствительном элементе. При контроле уровня жидкости, содержащей микрочастицы, существует возможность загрязнения торцов подводящего и отводящего оптических волокон в чувствительном элементе.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является волоконно-оптический датчик уровня, содержащий последовательно расположенные источник излучения, подводящее оптическое волокно, отводящее оптическое волокно и приемник излучения, в котором подводящее и отводящее волокна соединены с чувствительным элементом, выполненным в виде световода из оптически прозрачного материала. Поверхность чувствительного элемента выполнена в виде двух зеркально симметричных частей, каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их торцов, причем центры спиралей совмещены с центрами торцов волокон (Патент SU 1150488 А, кл. G01F 23/22, опублик. 15.04.85 (прототип)).
Недостатком данного датчика является низкая технологичность конструкции чувствительного элемента из-за сложности получения поверхности чувствительного элемента.
Техническим результатом является технологичность конструкции чувствительного элемента.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном волоконно-оптическом датчике уровня, содержащем источник излучения, подводящее и отводящее оптические волокна с отношением do/dc=2,5, где do - диаметр оболочки оптического волокна, dc - диаметр сердцевины оптического волокна, соединенные с чувствительным элементом в виде световода, приемник излучения, предлагается световод (чувствительный элемент) выполнить в виде стержня круглого сечения из оптически прозрачного материала, для которого выполняется условие
где n0, nВ.СР, n1 - показатели преломления воздуха, жидкости и стержня соответственно длиной, удовлетворяющей выражению
где ΘNA - апертурный угол оптического волокна, dc - диаметр сердцевины оптического волокна, R - радиус шарового сегмента световода, обращенного в сторону измеряемых сред
где dов - диаметр оболочки оптического волокна, α - угол отражения от шарового сегмента
а отношение L/R должно отвечать условию
Предлагаемая новая конструкция чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости лишена такого недостатка, как сложность получения поверхности чувствительного элемента, т.е. конструкция технологична, а также конструктивные параметры L, R отвечающие условию (5) как будет показано ниже обеспечивают максимальный перепад сигнала и минимальные информативные потери в зоне измерения, за счет обеспечения одного и того же значения угла падения α на шаровой сегмент чувствительного элемента для всех лучей, распространяющихся в пределах угловой апертуры подводящего оптического волокна, и попадания этих лучей в отводящие оптические волокна.
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 фигуре 1 приведена упрощенная конструкция предлагаемого сигнализатора, на фигуре 2 - ход лучей в первичном преобразователе.
Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения 1, например полупроводниковый излучающий диод, подводящее 2 и отводящие 3 оптические волокна, чувствительный элемент 4, корпус 5, состоящий из двух частей 6 и 7, приемник излучения 8, например фотодиод (фигура 1). Цилиндрическая часть чувствительного элемента 4 закреплена в части 6 корпуса 5 с помощью соединительного состава 9 с коэффициентом преломления n2<nВ.СР, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 6 корпуса 5 на значение, большее или равное R, определяемое выражением (3). Подводящее оптическое волокно 2 и отводящие оптические волокна 3 собраны в пучок (сечение А-А на фигуре 2) и закреплены в части 7 корпуса 5 с помощью клея 10, обладающего большой упругостью. Чувствительный элемент 4 выполнен из оптически прозрачного материала, например кварцевого стекла (стержня), для материала которого выполняется условие (1). Его форма представляет собой стержень длиной L, определяемой выражением (2), поверхность которого, обращенная в сторону измеряемой среды, представляет собой шаровой сегмент радиусом R, определяемый выражением (3). Части 6 и 7 корпуса 5 соединены между собой с помощью сварки 11, при этом центр торца подводящего оптического волокна 2 должен находится на одной оси с центром торца чувствительного элемента 4 (фигура 2). Расстояние между общим торцом оптических волокон 2, 3 и торцом чувствительного элемента 4 Xi≈0...0,01 мм (фигура 1). При расчете параметров R, L значение Xi не учитывается из-за очень малых размеров.
Устройство работает следующим образом.
Излучение источника излучения 1 направляется по подводящему оптическому волокну 2 к чувствительному элементу 4 (фигура 1). Поток излучения, излучаемый торцом подводящего оптического волокна 2, падает на торец чувствительного элемента 4 под углом ΘNA, который является апертурным углом оптического волокна, преломляется и распространяется под углом, который определяется с помощью закона Снеллиуса и равен
до шарового сегмента и падает на последний под углом α удовлетворяющим условию (4) (фигура 2). При отсутствии контакта чувствительного элемента с жидкостью лучи переотражаются от шарового сегмента под углом α и возвращаются обратно по чувствительному элементу путем переотражения от цилиндрической поверхности под углом ρ, определяемый из треугольника ΔАВС и равный
ρ=90-ψ,
до выходного торца чувствительного элемента и падают на него под углом ψ, который находят из треугольника ΔADM и равный
ψ=90-χ,
где χ=180-α-γ - угол, определяется из треугольника ΔAOD,
где γ=ε-mβ - разница между углом ε=180-σ,
где σ=90-α-φ - угол, определяемый из треугольника ΔSTO,
и углом β=180-2α - определяется из треугольника ΔAOS,
где m=ε/β - количество отражений от шарового сегмента, причем берется только целая часть (т.е. m=1, 2, 3... и т.д.), преломляются и выходят из чувствительного элемента, падая на торцы отводящих оптических волокон
Проведенные расчеты по формуле (4) для стержня из кварцевого стекла, материал которого удовлетворяет условию (1), и жидкостей с коэффициентом преломления n>1,25 показали, что максимальный перепад сигнала Q будет обеспечен, если световой поток переотражается от шарового сегмента под углом α, равным
Т.е. при отсутствии контакта шарового сегмента с жидкостью при падении луча под углом α на шаровой сегмент происходит полное внутренние отражение и луч отражается от шарового сегмента под углом
где αотр - угол отражения от шарового сегмента.
Для углов падения α, приведенных в выражении (6) и отвечающих выражению (4), было получено sinαотр>1. Это означает, что преломленный луч отсутствует и падающий луч под углом αотр=α будет возвращаться обратно в среду, из которой он падает (Оптические волокна и волоконные элементы. Сборник статей и переводов под ред. канд. техн. наук Блох К.И. - М.: Химия, 1972. - с.72-73). При контакте шарового сегмента с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения и часть светового потока выходит из стержня под углом
где nВ.СР>1,25 - коэффициент преломления жидкости; αвых - угол преломления.
Таким образом, для обеспечения нужного значения угла падения α, удовлетворяющего выражению (4), при котором будет выполняться и нарушаться условие полного внутреннего отражения при отсутствии контакта с жидкостью и при контакте с жидкостью соответственно, рассчитывают конструктивные параметры L, R по формулам (2) и (3), отвечающие условию (5), которые обеспечат максимальный перепад сигнала и минимальные информативные потери в зоне измерения. Расчетным путем доказано, что конструктивные параметры R и L, удовлетворяющие условию (5), обеспечивают при отсутствии контакта с жидкостью попадание светового потока от подводящего оптического волокна в отводящие оптические волокна.
Технический результат предлагаемого изобретения следующий
В предлагаемой конструкции чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости исключены сложные технологические операции по получению поверхности чувствительного элемента, т.е. конструкция технологична.
Конструктивные параметры L, R чувствительного элемента, отвечающие условию (5), обеспечивают максимальный перепад сигнала и минимальные информативные потери в зоне измерения за счет обеспечения одного и того же значения угла падения α на шаровой сегмент чувствительного элемента для всех лучей, распространяющихся в пределах угловой апертуры подводящего оптического волокна, и попадания этих лучей в отводящие оптические волокна.
Предлагаемая новая конструкция чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости работоспособна в жестких условиях РКТ обладает повышенной искровзрывобезопасностью и не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.
Claims (1)
- Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, содержащий источник и приемник излучения, подводящее и отводящие оптические волокна, чувствительный элемент, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде стержня круглого сечения из оптически прозрачного материала, для которого выполняется условиеN0<nв.ср<n1,где n0, nв.ср, n1 - показатели преломления воздуха, жидкости и стержня соответственно,длиной, удовлетворяющей выражениюгде ΘNA - апертурный угол оптического волокна, dc - диаметр сердцевины оптического волокна, R - радиус шарового сегмента световода, обращенного в сторону измеряемых сред:1,5dов≤R≤2dов,где dов - диаметр оболочки оптического волокна, α - угол отражения от шарового сегмента:arcsin n0/nв.ср<α<arcsin nв.ср/n1,а отношение L/R должно отвечать условию
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005141285/28A RU2297602C1 (ru) | 2005-12-28 | 2005-12-28 | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005141285/28A RU2297602C1 (ru) | 2005-12-28 | 2005-12-28 | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2297602C1 true RU2297602C1 (ru) | 2007-04-20 |
Family
ID=38036920
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005141285/28A RU2297602C1 (ru) | 2005-12-28 | 2005-12-28 | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2297602C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2687868C1 (ru) * | 2018-10-31 | 2019-05-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") | Волоконно-оптический уровнемер-сигнализатор давления |
-
2005
- 2005-12-28 RU RU2005141285/28A patent/RU2297602C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2687868C1 (ru) * | 2018-10-31 | 2019-05-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") | Волоконно-оптический уровнемер-сигнализатор давления |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4994682A (en) | Fiber optic continuous liquid level sensor | |
KR102246478B1 (ko) | 농도 측정 장치 | |
US4870292A (en) | Fibre optic sensor for liquid level and other parameters | |
US6963062B2 (en) | Method for multiplexed optical detection including a multimode optical fiber in which propagation modes are coupled | |
US4942306A (en) | Fibre optic sensor for the continuous measurement liquids level and other parameters | |
US6356675B1 (en) | Fiber optic refractive index monitor | |
US5946084A (en) | Hemispherical double reflection optical sensor | |
US10175167B2 (en) | Optical sensor for detecting accumulation of a material | |
US7062125B2 (en) | Prismatic reflection optical waveguide device | |
CA1332205C (en) | Fibre optic sensors for the continuous measurement of liquid level and other parameters | |
US4372165A (en) | Apparatus for measuring fluid flow | |
US10145789B2 (en) | Immersion refractometer | |
JP2001242079A (ja) | 液体を検知又は識別するための光学装置 | |
RU2327959C2 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости | |
RU2297602C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости | |
US10113960B2 (en) | Arrangement in connection with measuring window of refractometer, and refractometer | |
EP3290907B1 (en) | Device for measuring solution concentration | |
US7298485B2 (en) | Method of and a device for measuring optical absorption characteristics of a sample | |
JP3176582U (ja) | ライトガイドセル | |
JPS63273042A (ja) | 光学的測定装置 | |
US10384152B2 (en) | Backscatter reductant anamorphic beam sampler | |
JPS63304137A (ja) | 赤外分光分析器用試料セル | |
US20160041353A1 (en) | Method of inputting light into optical waveguide | |
US10782231B2 (en) | Optical immersion refractometer | |
RU2757976C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171229 |