RU2744159C1

RU2744159C1 - Fiber-optical signaler of level and type of liquid

Info

Publication number: RU2744159C1
Application number: RU2020124535A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Репин
Original assignee: Александр Владимирович Репин
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2021-03-03

Abstract

FIELD: measuring tech.

SUBSTANCE: invention relates to measuring technology and is intended to determine with a high degree of accuracy the level of liquid media with different refractive indices, incl. in non-stationary objects. A sensor for monitoring the level and type of liquid is proposed, which contains sequentially installed and optically matched radiation source, a transmitting optical fiber, a sensitive element, receiving optical fibers and photodetectors, a coaxial with the supplying and off-axis ones, connected to the signal processing unit. The distance to the off-axis optical fibers from the axial one is a function of the operating wavelength of the radiation, the gap between the receiving and transmitting optical fibers and the aperture angles of the optical fibers for the measured media. At the free end of the transmitting light guide of the sensing element, a Porro prism is formed with an edge at the apex of a larger angle passing through the center of the light guide core and perpendicular to the plane in which the optical axes of the light guides are located. Execution option: off-axis receiving optical fibers are located at an angle to the optical axis of the transmitting optical fiber, not exceeding the aperture angles of the optical fibers for the medium corresponding to their position.

EFFECT: creation of a noise-immune sensor for measuring the liquid level.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления.The invention relates to measuring technology and is intended to determine with a high degree of accuracy the level of liquid media with different refractive indices.

Известны способы контроля датчиками уровня жидкости с использованием электрических схем. Примером может служить датчик уровня жидкости для бака транспортного средства (патент РФ №2284481).Known methods for monitoring liquid level sensors using electrical circuits. An example is a liquid level sensor for a vehicle tank (RF patent No. 2284481).

Однако применение такого способа является пожароопасным вследствие наличия электрических цепей, по сути, в баке транспортного средства, и не всегда надежным, т.к. в сигнальных проводах могут возникать наводки - как от собственных силовых сетей, так и от стороннего электромагнитного излучения.However, the use of such a method is fire hazardous due to the presence of electrical circuits, in fact, in the tank of a vehicle, and is not always reliable, since in the signal wires, pickups can occur - both from their own power networks, and from third-party electromagnetic radiation.

Известны волоконно-оптические датчики уровня жидкости, лишенные этих недостатков. Примером может служить волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости (патент РФ № 2297602), в котором используется эффект отражения на границе раздела сред - стекла и воздуха. Часть оптического сигнала от излучателя, подводимого в измеряемую емкость оптическим волокном, отражается на границе раздела и возвращается по оптическим волокнам к фотоприемнику. При подъеме уровня жидкости до сенсорной части датчика границей раздела сред становятся стекло и жидкость, коэффициенты преломления которых близки. Уровень возвратного сигнала резко падает, и перепад фиксируется. Такой датчик позволяет определять не только уровень жидкости, но и ее тип: например, вода и керосин имеют разные показатели преломления и соответственно, разные коэффициенты френелевского отражения на границе сред. Конструкция чувствительного элемента волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости обладает высокой искровзрывобезопасностью.Known fiber-optic liquid level sensors, devoid of these disadvantages. An example is a fiber-optic liquid level indicator (RF patent No. 2297602), which uses the effect of reflection at the interface between glass and air. Part of the optical signal from the emitter supplied to the measured capacitance by an optical fiber is reflected at the interface and returns through the optical fibers to the photodetector. When the liquid level rises to the sensor part of the sensor, glass and liquid, whose refractive indices are close, become the interface between the media. The level of the return signal drops sharply and the difference is fixed. Such a sensor makes it possible to determine not only the level of a liquid, but also its type: for example, water and kerosene have different refractive indices and, accordingly, different coefficients of Fresnel reflection at the boundary of the media. The design of the sensing element of the fiber-optic liquid level switch has a high spark-and-explosion safety.

Однако датчики такого типа обладают определенными эксплуатационными недостатками. Разность мощности френелевского отражения невелика, поскольку невелик и сам сигнал - 4% от вводимой мощности излучения для границы кварц-воздух. Для стационарных датчиков, работающих в нормальных условиях, это приемлемо, а датчики подвижных объектов, в частности летательных аппаратов, должны работать в условиях резких перепадов температур (-60…+85°С), вибрации и т.д. При этом дрейф сигнала на сигнальных волокнах может превышать разность сигналов от френелевского отражения на границе двух сред, что неприемлемо.However, sensors of this type have certain operational disadvantages. The difference in the power of the Fresnel reflection is small, since the signal itself is also small - 4% of the input radiation power for the quartz-air interface. For stationary sensors operating under normal conditions, this is acceptable, and sensors for moving objects, in particular aircraft, must operate in conditions of sharp temperature changes (-60 ... + 85 ° C), vibration, etc. In this case, the signal drift on the signal fibers can exceed the difference between the signals from the Fresnel reflection at the boundary of the two media, which is unacceptable.

Известны также волоконно-оптические датчики уровня жидкости с приемным и передающим световодами, например а.с. SU 1275220. В этом случае излучение выходит из одного световода и принимается другим. Поскольку апертурный угол выходящего из световода излучения различен для воздуха и жидкости, различна и мощность принимаемого сигнала. Меняется апертурный угол и при смене жидкостей с различными показателями преломления, поэтому такую схему тоже можно использовать для определения типа жидкости. Однако и эта схема имеет тот же недостаток: т.к. разность показателя преломления жидкостей невелика, невелик и перепад мощности сигнала, в ряде случаев сопоставимый с погрешностью измерений.Also known are fiber-optic liquid level sensors with receiving and transmitting light guides, for example, A.S. SU 1275220. In this case, the radiation comes out of one fiber and is received by the other. Since the aperture angle of the radiation emerging from the fiber is different for air and liquid, the power of the received signal is also different. The aperture angle also changes when changing liquids with different refractive indices, so this scheme can also be used to determine the type of liquid. However, this scheme also has the same disadvantage: the difference in the refractive index of liquids is small, and the difference in signal power is also small, in some cases comparable to the measurement error.

Цель изобретения - создание помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости. Это достигается тем, что датчик содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения, передающий волоконный световод, чувствительный элемент, приемный волоконный световод и фотоприемник, подключенный к блоку обработки сигнала. Чувствительный элемент выполнен в виде установленных соосно в оправе с зазором двух отрезков волоконных световодов, одни торцы которых в зазоре оптически согласованы между собой, а другие оптически согласованы соответственно с передающим и приемным волоконными световодами. При этом чувствительный элемент также содержит внеосевые приемные световоды и фотоприемники, а расстояние между соосным и последующими внеосевыми приемными волоконными световодами является функцией рабочей длины волны излучения, апертурных углов световодов в измеряемых средах и расстояния между передающим и приемными световодами. Передающий торец световода выполнен в виде отражающих граней призмы Порро с ребром при вершине большего угла, проходящим через центр световедущей жилы и перпендикулярным плоскости, в которой расположены оптические оси световодов. Внеосевые приемные световоды могут быть расположены к оптической оси передающего световода под углом, не превышающим апертурный угол световода для соответствующей его положению среды.The purpose of the invention is to create a noise-immune sensor for measuring the level of a liquid. This is achieved by the fact that the sensor contains a sequentially installed and optically matched radiation source, a transmitting optical fiber, a sensing element, a receiving optical fiber, and a photodetector connected to the signal processing unit. The sensing element is made in the form of two sections of optical fibers installed coaxially in the frame with a gap, some ends of which in the gap are optically matched to each other, while others are optically matched, respectively, to the transmitting and receiving fiber light guides. In this case, the sensitive element also contains off-axis receiving optical fibers and photodetectors, and the distance between the coaxial and subsequent off-axis receiving optical fibers is a function of the operating radiation wavelength, the aperture angles of the optical fibers in the media to be measured, and the distance between the transmitting and receiving optical fibers. The transmitting end of the light guide is made in the form of reflective edges of a Porro prism with an edge at the apex of a larger angle passing through the center of the light guide core and perpendicular to the plane in which the optical axes of the light guides are located. Off-axis receiving light guides can be located to the optical axis of the transmitting light guide at an angle not exceeding the aperture angle of the light guide for the medium corresponding to its position.

Заявленные признаки являются существенными:The declared features are essential:

Когда чувствительный элемент датчика находится, например, в керосине, показатели преломления керосина и кварца практически совпадают, апертурный угол минимален и захватывает осевой приемный волоконный световод, который выдает сигнал на свой фотоприемник. В воздухе значительная часть сигнала не отражается, в отличие от классических схем геометрической оптики, от рабочих граней призмы обратно в световод, а распадается на гранях на два внеосевых луча и фиксируется на внеосевых световодах и фотоприемниках. Таким образом, датчик, бывший аналоговым для уровня жидкости и аналоговым для ее состава, становится по сути цифровым, дискретным, для уровня жидкости.When the sensitive element of the sensor is, for example, in kerosene, the refractive indices of kerosene and quartz practically coincide, the aperture angle is minimal and captures the axial receiving fiber, which outputs a signal to its photodetector. In air, a significant part of the signal is not reflected, in contrast to classical geometric optics schemes, from the working faces of the prism back into the fiber, but splits at the edges into two off-axis beams and is fixed on off-axis optical fibers and photodetectors. Thus, the sensor, which was analog for the liquid level and analog for its composition, becomes in fact digital, discrete, for the liquid level.

На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов конструкции:FIG. 1 shows a diagram of one of the design options:

Датчик состоит из передающего волоконного световода 1, приемных волоконных световодов 2, 3, 4, источника излучения 5 и фотоприемников 6, 7, 8, подключенных к блоку обработки сигнала (не указан). На свободном торце световода 1 сформированы отражающие грани призмы Порро. Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.The sensor consists of a transmitting optical fiber 1, receiving optical fibers 2, 3, 4, a radiation source 5 and photodetectors 6, 7, 8, connected to a signal processing unit (not specified). At the free end of the light guide 1, the reflecting faces of the Porro prism are formed. Optical connectors are not indicated on the diagram, because their location is not critical.

На Фиг. 2 показано прохождение излучения для варианта конструкции:FIG. 2 shows the radiation propagation for a design option:

а) Ход лучей для воздуха. Засвечены световоды 2, 4.a) Beam path for air. Light guides 2, 4 are exposed.

б) Ход лучей для жидкости. Засвечен световод 3.b) Path of rays for liquid. Light guide 3 is exposed.

Фиг. 3: прохождение излучения для варианта конструкции. Внеосевые приемные световоды расположены к оптической оси передающего световода под углом:FIG. 3: Radiation propagation for a design option. Off-axis receiving light guides are located to the optical axis of the transmitting light guide at an angle:

Возможны варианты схем, например, один несоосный приемный световод.Possible circuit variants, for example, one non-aligned receiving light guide.

Claims

1. A sensor for monitoring the liquid level, containing sequentially installed and optically matched radiation source, a transmitting optical fiber, a sensing element, a receiving fiber and a photodetector connected to a signal processing unit, while the sensing element is made in the form of two segments installed in a frame with a gap fiber light guides, some ends of which in the gap are optically matched to each other, and others are optically matched, respectively, with the transmitting and receiving fiber light guides, characterized in that the sensor additionally contains off-axis receiving light guides and photodetectors, and the distance from the ends of the off-axis light guides to the axial light guide is a function of the working the radiation wavelength, the gap between the receiving and transmitting fibers and the aperture angles of the fibers for the measured media, and at the free end of the transmitting fiber of the sensitive element, the reflecting edges of the Porro prism with an edge at the top of the larger angle passing through the center of the light guide core and perpendicular to the plane in which the optical axes of the light guides are located.

2. A sensor for monitoring the liquid level according to claim 1, characterized in that the off-axis receiving light guides are located to the optical axis of the transmitting light guide at an angle not exceeding the aperture angle of the light guide for the medium corresponding to its position.