RU2697033C1 - Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер - Google Patents
Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер Download PDFInfo
- Publication number
- RU2697033C1 RU2697033C1 RU2018116950A RU2018116950A RU2697033C1 RU 2697033 C1 RU2697033 C1 RU 2697033C1 RU 2018116950 A RU2018116950 A RU 2018116950A RU 2018116950 A RU2018116950 A RU 2018116950A RU 2697033 C1 RU2697033 C1 RU 2697033C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- circulator
- pole
- splitter
- fiber
- port
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 21
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 8
- 244000309464 bull Species 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер содержит источник оптического излучения, акустооптический модулятор, соединенный с высокочастотным генератором, фотоприемник, размещенные в блоке обработки измерительной информации, связанные оптическим волокном с волоконно-оптическим сенсором, установленным на контролируемом объекте. Выход акустооптического модулятора соединен с входным портом первого циркулятора, выходной порт циркулятора соединен с фотоприемником. Двунаправленный порт первого циркулятора соединен оптическим волокном с двунаправленным портом второго циркулятора, размещенным 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 со вторым полюсом второго Y-разветвителя. 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 размещен в фокусе объектива коллиматора, а выход фотоприемника через усилитель соединен с частотным детектором, при этом частота высокочастотного электронного генератора изменяется по пилообразному закону. Технический результат заключается в повышении точности измерения уровня жидкости, упрощении конструкции и повышении надежности уровнемера. 2 ил.
Description
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.
Недостатком данного уровнемера является то обстоятельство, что он является сигнализатором с числом измерительных каналов равным N=Н/Δi, где Δi - порог срабатывания, Н- диапазон измеряемого уровня.
Так, например, при Н=20 м и Δi=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
ƒ=ƒmin+bt, -T≤t≤T,
где - b=(ƒmax-ƒmin)/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.
В момент времени t1 на выходе акустооптического модулятора 2 частота излучения будет ν+ƒ1.
Излучение частотой ν+ƒ1, 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.
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+ƒ2 пришедшее с третьего полюса первого волоконно-оптического Y-разветвителя 10 в момент времени t2, и излучение с частотой ν+ƒ1 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 ƒ2-ƒ1. Суммарный световой поток с разностной частотой Δƒ=ƒ2-ƒ1 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=t2-t1, измеряется частотным детектором 6.
Время необходимое для прохождения излучения расстояния L от коллиматора до поверхности жидкости и обратно будет:
где с - скорость света.
В момент времени t2=t1+Δt частота излучения на первом входном полюсе второго волоконно-оптического Y-разветвителя, будет:
ν+ƒ2=ν+ƒmin+bt2,
а на втором входном полюсе второго волоконно-оптического Y-разветвителя излучение будет с частотой ν+ƒ1. При этом разность частот
Δƒ=ƒ2-ƒ1=Δtb или
Подставляя (3) в (2), получим
Так, например, принимая максимальное значение измеряемого уровня равным L=30 м., период изменения частоты акустооптического модулятора Т=2L/c=60/3⋅108=20⋅10-8 сек. При ƒmin=20⋅106 Гц, ƒmax=200⋅106 Гц, значение b будет b=180⋅106/20⋅10-8=9⋅1014 сек-2.
с/2b=3⋅108/2⋅9⋅1014=0,166⋅10-6 м⋅сек.
С учетом соотношения (4), номинальная статическая характеристика измерителя уровня будет
L=0,166⋅10-6Δƒ
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.
Claims (3)
- Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер, содержащий источник оптического излучения, акустооптический модулятор, соединенный с высокочастотным генератором, фотоприемник, размещенные в блоке обработки измерительной информации, связанные оптическим волокном с волоконно-оптическим сенсором, установленным на контролируемом объекте, отличающийся тем, что выход акустооптического модулятора соединен с входным портом первого циркулятора, выходной порт циркулятора соединен с фотоприемником, двунаправленный порт первого циркулятора соединен оптическим волокном с двунаправленным портом второго циркулятора, размещенным 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 со 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 размещен в фокусе объектива коллиматора, а выход фотоприемника через усилитель соединен с частотным детектором, при этом частота высокочастотного электронного генератора изменяется по пилообразному закону
- ƒ=ƒmin+bt,
- где - b=(ƒmax-ƒmin)/T, Т≤c/2L, с - скорость света, L - минимальное расстояние от сенсора до поверхности измеряемого уровня жидкости.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018116950A RU2697033C1 (ru) | 2018-05-07 | 2018-05-07 | Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018116950A RU2697033C1 (ru) | 2018-05-07 | 2018-05-07 | Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2697033C1 true RU2697033C1 (ru) | 2019-08-08 |
Family
ID=67586734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018116950A RU2697033C1 (ru) | 2018-05-07 | 2018-05-07 | Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2697033C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2751646C1 (ru) * | 2020-07-14 | 2021-07-15 | Александр Владимирович Репин | Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа |
| RU226905U1 (ru) * | 2024-04-13 | 2024-06-28 | Виктор Юрьевич Ильин | Оптоэлектронный фотоприемный модуль |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1280329A1 (ru) * | 1985-05-12 | 1986-12-30 | Алма-Атинский Энергетический Институт | Волоконно-оптический уровнемер |
| SU1840401A1 (ru) * | 1980-05-21 | 2006-11-20 | ФГУП "Научно-исследовательский институт химического машиностроения" | Оптический уровнемер для жидких сред |
| RU2306531C1 (ru) * | 2006-05-24 | 2007-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "25 Государственный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации (по применению топлив, масел, смазок и специальных жидкостей-ГосНИИ по химмотологии)" | Уровнемер жидкости |
| RU2564683C1 (ru) * | 2014-03-27 | 2015-10-10 | Татьяна Ивановна Мурашкина | Волоконно-оптический уровнемер и способ его изготовления |
-
2018
- 2018-05-07 RU RU2018116950A patent/RU2697033C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1840401A1 (ru) * | 1980-05-21 | 2006-11-20 | ФГУП "Научно-исследовательский институт химического машиностроения" | Оптический уровнемер для жидких сред |
| SU1280329A1 (ru) * | 1985-05-12 | 1986-12-30 | Алма-Атинский Энергетический Институт | Волоконно-оптический уровнемер |
| RU2306531C1 (ru) * | 2006-05-24 | 2007-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "25 Государственный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации (по применению топлив, масел, смазок и специальных жидкостей-ГосНИИ по химмотологии)" | Уровнемер жидкости |
| RU2564683C1 (ru) * | 2014-03-27 | 2015-10-10 | Татьяна Ивановна Мурашкина | Волоконно-оптический уровнемер и способ его изготовления |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2751646C1 (ru) * | 2020-07-14 | 2021-07-15 | Александр Владимирович Репин | Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа |
| RU226905U1 (ru) * | 2024-04-13 | 2024-06-28 | Виктор Юрьевич Ильин | Оптоэлектронный фотоприемный модуль |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4910402A (en) | Apparatus and method for measuring a property of a liquid | |
| Raatikainen et al. | Fiber-optic liquid-level sensor | |
| Singh et al. | A new non-intrusive optical technique to measure transparent liquid level and volume | |
| CA2063661A1 (en) | Laser liquid level gauge | |
| JP2016194506A (ja) | フォトニック膜を背景とする多機能光ファイバー燃料センサシステム | |
| TW202104851A (zh) | 使用塑料光纖的非接觸式飛行時間燃油位準感測器 | |
| KR20120052219A (ko) | 광섬유 액 레벨 검출기 | |
| CN105606068A (zh) | 用于燃料量测量的光阻抗调制 | |
| CN108398211B (zh) | 基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器及漏水检测方法 | |
| US20140356078A1 (en) | Powder Flow Monitor and Method for In-flight Measurement of a Flow of Powder | |
| RU2697033C1 (ru) | Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер | |
| CN108663158B (zh) | 推挽式光纤差压传感器 | |
| US6795598B1 (en) | Liquid-level sensor having multiple solid optical conductors with surface discontinuities | |
| US8362436B1 (en) | Electro-optic fluid quantity measurement system | |
| RU196684U1 (ru) | Устройство для измерения плотности жидкости с оптоволоконным преобразователем | |
| US7573565B1 (en) | Methods and systems for determining the density and/or temperature of fluids | |
| RU2564683C1 (ru) | Волоконно-оптический уровнемер и способ его изготовления | |
| RU2683878C1 (ru) | Световой уровнемер жидкости | |
| Zhang et al. | Fiber-optic ground settlement sensor based on low-coherent interferometry | |
| CN208847390U (zh) | Michelson白光干涉光纤液压传感器及测量系统 | |
| Nie et al. | Optical liquid-level sensor based on a designed light guide plate | |
| RU158854U1 (ru) | Волоконно-оптический сенсор распределения температуры | |
| RU2741276C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик параметров жидкостных и воздушных потоков | |
| RU2356028C1 (ru) | Устройство для экспресс-анализа промышленной чистоты жидкостей | |
| EP2835674A1 (en) | Method of operating a flying transducer particle in an optical waveguide, and optical waveguide including a transducer particle |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200508 |