RU2747708C1 - Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости - Google Patents

Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости Download PDF

Info

Publication number
RU2747708C1
RU2747708C1 RU2020124531A RU2020124531A RU2747708C1 RU 2747708 C1 RU2747708 C1 RU 2747708C1 RU 2020124531 A RU2020124531 A RU 2020124531A RU 2020124531 A RU2020124531 A RU 2020124531A RU 2747708 C1 RU2747708 C1 RU 2747708C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tip
liquid level
liquid
level indicator
housing
Prior art date
Application number
RU2020124531A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Владимирович Репин
Original Assignee
Александр Владимирович Репин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Владимирович Репин filed Critical Александр Владимирович Репин
Priority to RU2020124531A priority Critical patent/RU2747708C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2747708C1 publication Critical patent/RU2747708C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating 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
    • G01F23/28Indicating 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 by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284Electromagnetic waves
    • G01F23/292Light, e.g. infrared or ultraviolet

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления, в т.ч. в нестационарных объектах. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости включает в себя источник излучения, приемник излучения, оптически сопряженные с выходными полюсами направленного волоконно-оптического разветвителя Y-типа, входной полюс которого оптически сопряжен с торцом чувствительного элемента датчика, включающим торец волоконного световода и наконечник для отвода жидкости, при этом волоконный световод защищен корпусом, на который устанавливается механически сопряженный с боковой поверхностью и участком периметра торца корпуса наконечник, зеркально асимметричный не менее чем одной оси, лежащей в плоскости, проходящей через вершину корпуса и перпендикулярной оптической оси световода. Техническим результатом является создание надежного, пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для широкого диапазона измеряемых жидкостей. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления.
Известны датчики уровня жидкости с использованием электрических схем. Примером может служить датчик уровня жидкости для бака транспортного средства (патент РФ №2284481).
Однако такое устройство 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.
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.
Конструкция описывается, как технологичная в изготовлении, однако выполнение чувствительного элемента в виде стержня круглого сечения из оптически прозрачного материала со строго заданными формулой геометрическими параметрами и его последующая оптическая юстировка в невидимом ИК-диапазоне вряд ли могут быть признаны технологичными. Несколько отводящих волокон с их обязательной юстировкой на деле не обеспечивают высокого уровня сигнала, т.к. соотношение диаметров оптического волокна и световедущей жилы в заявке трактуется, как 2,5. Простые расчеты показывают, что даже оптимальная (гексагональная) укладка волокон позволяет возвратить менее 10% излучения, в то же время обычное френелевское отражение на границе раздела стекло-воздух дает около 4%.
В то же время и схемы с френелевским отражением имеют недостатки. Главный из них (как показала практика) состоит в отсутствии элемента для отвода воды с выходного торца световода, и любая капля, оставшаяся на торце чувствительного элемента, резко изменяет показания датчика.
Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости (патент РФ №2429453) имеет элемент, который должен препятствовать формированию капли. В нем выходной торец световода, который контактирует с жидкостью, механически связан с наконечником для отвода жидкости.
Недостатком такого сигнализатора является то, что он заявлен, как использующий и торцевую поверхность оптического световода (френелевское отражение), и боковую (полное внутреннее отражение), т.е. хрупкий волоконный световод обнажен на значительной длине, что делает невозможным использование датчика в подвижных объектах, подверженных перегрузкам и вибрации (например, летательные аппараты). В то же время при диаметрах световода 400 мкм и выше на торце световода образуется устойчивая капля контролируемой жидкости. Для ликвидации этого эффекта в прототипе были применены наконечники, выполненные из тонкой нити, проволоки или металлической пластины.
Однако практика показывает, что в случае применения в схемах датчиков оптического волокна, вклеенного в защитный корпус (например, керамический наконечник), предложенное решение не является универсальным. Многое зависит от вида жидкости, ее температуры, вязкости, положения торца (вертикальное или горизонтальное), смачиваемости материала защитного корпуса и наконечника, формы наконечника. При горизонтальном расположении (например, в стенке топливного бака летательного аппарата) капля просто удерживается между торцом корпуса и наконечником. Возникает ложный сигнал о наличии жидкости на данном уровне в резервуаре. Этот же недостаток может быть присущ и проходным волоконно-оптическим датчикам уровня жидкости, в которых излучение проходит в зазоре между торцами двух оптически согласованных волоконных световодов, если применять в них схему каплеудаления, заявленную в прототипе.
Форма наконечника в формуле изобретения отсутствует, на рисунке представлен один из возможных вариантов, указанных в тексте заявки - “наконечник, выполненный из тонкой нити, проволоки…”. Наконечник в виде пластины, также представленный в тексте прототипа, выполненный, например, кольцевым по периметру корпуса, фиксирующего волокно, может отводить каплю, но с высокой степенью вероятности при подъеме жидкости формирует воздушный пузырь на торце волокна, исключающий срабатывание датчика.
Цель изобретения - создание надежного, пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для широкого диапазона измеряемых жидкостей. Это достигается тем, что в предлагаемом датчике волоконный световод защищен корпусом, на который устанавливается механически сопряженный с боковой поверхностью и участком периметра торца корпуса наконечник, зеркально асимметричный не менее чем одной оси, лежащей в плоскости, проходящей через вершину чувствительного элемента и перпендикулярной его оптической оси.
Угловой размер наконечника между крайними точками его контакта с торцевой поверхностью чувствительного элемента - менее 180°.
Варианты исполнения:
Край наконечника в точке касания с образующей и торцом корпуса не перпендикулярен плоскости, проходящей через вершину чувствительного элемента и перпендикулярной его оптической оси.
Наконечник содержит сквозной продольный разрез не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина разреза - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.
Наконечник содержит не менее двух элементов, формирующих сквозной продольный зазор не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина зазора - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.
Наконечник содержит не менее двух элементов с возможностью их взаимного перемещения, формирующих регулируемый сквозной продольный зазор не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина разреза - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.
Торец корпуса выполнен из не смачиваемого измеряемой жидкостью материала, а наконечник - из смачиваемого материала.
Торец корпуса и наконечник выполнены из смачиваемого измеряемой жидкостью материала, причем смачиваемость наконечника выше.
Торец корпуса имеет гидрофобное покрытие, прозрачное для рабочей длины волны датчика.
Торец корпуса имеет олеофобное покрытие, прозрачное для рабочей длины волны излучателя датчика.
Толщина покрытия торца корпуса не кратна четверти длины волны излучателя датчика.
Наконечник, зеркально асимметричный не менее чем одной оси, лежащей в плоскости, проходящей через вершину чувствительного элемента и перпендикулярной его оптической оси - необходимое, но не достаточное условие работоспособности датчика. Зеркально симметричным по любой из указанных осей может быть только наконечник со сплошной равновысокой кромкой, выступающей за пределы торца чувствительного элемента - именно такой вариант, допустимый формулой прототипа, но неработоспособный, допускает формирование воздушного пузыря на торце при подъеме жидкости.
Отсутствие симметрии само по себе еще не гарантирует работоспособности датчика, но наличие в конструкции других отличительных признаков в различных вариантах сочетания обеспечивает его работоспособность в нормальных условиях эксплуатации для широкого ряда жидкостей, например, сжиженных газов, легко воспламеняющихся жидкостей, ряда кислот и т.п.как при вертикальном, так и при горизонтальном расположении датчика.
Заявленные признаки являются существенными, т.к. в отличие от прототипа позволяют исключить ложное срабатывание от образовании на торце воздушных пузырей при вертикальном положении датчика, от зависающей капли при горизонтальном положении датчика, которое особенно важно для топливных баков летательных аппаратов. Наличие прорези (зазора) в смачиваемом наконечнике обеспечивает надежное стекание жидкости за счет создания капиллярного эффекта, косой переход с поверхности торца на наконечник способствует перетеканию капли в область капиллярного зазора и вытягиванию жидкости с торца на нижнюю часть наконечника. Возможность регулировки зазора позволяет настраивать датчик на тип жидкости в зависимости от вязкости - например, на авиакеросин или дизельное топливо.
На Фиг. 1 показано размещение деталей одного из вариантов конструкции:
Корпус 1 выполнен из материала, не смачиваемого контролируемой жидкостью. В корпус вклеено оптическое волокно 2, например, стандартное одномодовое 9,5/125 мкм. На корпус 1 установлен наконечник 3 из материала, смачиваемого контролируемой жидкостью. Угловой размер D наконечника между (крайними) точками его контакта с торцевой поверхностью чувствительного элемента - менее 180°. Часть наконечника. выходящая за торец корпуса, имеет сквозной продольный разрез, длина которого В - не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, а ширина разреза А - менее минимального размера капли, формирующейся на торце корпуса. Длина Е выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли. Край наконечника в точке касания с торцом корпуса расположен под углом С, меньшим 90° к плоскости, проходящей через вершину чувствительного элемента и перпендикулярной его оптической оси.
На Фиг. 2 показано размещение деталей второго варианта конструкции:
На корпус 1 установлен наконечник 3 из материала, смачиваемого контролируемой жидкостью. Элементы наконечника, выходящие за торец корпуса, формируют сквозной продольный зазор, длина которого В - не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, а ширина зазора А - менее минимального размера капли, формирующейся на торце корпуса. Длина Е выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.
На Фиг. 3 показано размещение деталей третьего варианта конструкции:
На корпус 1 установлен парный наконечник из материала, смачиваемого контролируемой жидкостью. Наконечник состоит из двух элементов 4 и 5 с возможностью их взаимного перемещения, формирующих регулируемый сквозной продольный зазор, длина которого В - не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, а регулируемая ширина зазора А - менее минимального размера капли, формирующейся на торце корпуса. Длина Е выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.
На Фиг. 3 показано размещение деталей третьего варианта конструкции:
На корпус 1 установлен парный наконечник из материала, смачиваемого контролируемой жидкостью. Наконечник состоит из двух элементов 4 и 5 с возможностью их взаимного перемещения, формирующих регулируемый сквозной продольный зазор, длина которого В - не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, а регулируемая ширина зазора А - менее минимального размера, формирующейся на торце корпуса. Длина Е выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли. Регулировка зазора по ширине позволяет устанавливать его оптимальное значение в зависимости от вязкости измеряемых жидкостей.
На Фиг. 4 показана оптическая схема одного из вариантов датчика:
2 - оптическое волокно чувствительного элемента,
6 - оптический разветвитель,
7 - передающее оптическое волокно,
8 - приемное оптическое волокно,
9 - излучатель,
10 - фотоприемник.

Claims (11)

1. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, включающий источник излучения, приемник излучения, оптически сопряженные с выходными полюсами направленного волоконно-оптического разветвителя Y-типа, входной полюс которого оптически сопряжен с торцом чувствительного элемента датчика, включающим торец волоконного световода и наконечник для отвода жидкости, отличающийся тем, что волоконный световод защищен корпусом, на который устанавливается механически сопряженный с боковой поверхностью и участком периметра торца корпуса наконечник, зеркально асимметричный не менее чем одной оси, лежащей в плоскости, проходящей через вершину корпуса и перпендикулярной оптической оси световода.
2. Сигнализатор уровня жидкости по п. 1, отличающийся тем, что угловой размер наконечника между (крайними) точками его контакта с торцевой поверхностью корпуса чувствительного элемента - менее 180°.
3. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1, 2, отличающийся тем, что край наконечника в точке касания с образующей и торцом корпуса не перпендикулярен плоскости, проходящей через вершину корпуса и перпендикулярной оптической оси волоконного световода.
4. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-3, отличающийся тем, что наконечник содержит сквозной продольный разрез не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина разреза - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.
5. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-3, отличающийся тем, что наконечник содержит не менее двух элементов, формирующих сквозной продольный зазор не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина зазора - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.
6. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-3, отличающийся тем, что наконечник содержит не менее двух элементов с возможностью их взаимного перемещения, формирующих регулируемый сквозной продольный зазор не менее чем от точки контакта с торцом чувствительного элемента до своей наиболее удаленной от торца точки, ширина зазора - менее минимального размера капли, формирующейся на торце, и зависит от материала торца корпуса и наконечника и вида жидкости; длина выступающей за торец части наконечника - более максимального размера капли.
7. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-6, отличающийся тем, что торец корпуса выполнен из не смачиваемого измеряемой жидкостью материала, а наконечник - из смачиваемого материала.
8. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-6, отличающийся тем, что торец корпуса и наконечник выполнены из смачиваемого измеряемой жидкостью материала, причем смачиваемость наконечника выше.
9. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-6, 8, отличающийся тем, что торец корпуса имеет гидрофобное покрытие, прозрачное для рабочей длины волны датчика.
10. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-6, 8, отличающийся тем, что торец корпуса имеет олеофобное покрытие, прозрачное для рабочей длины волны датчика.
11. Сигнализатор уровня жидкости по пп. 1-6, 8-10, отличающийся тем, что толщина покрытия, прозрачного для рабочей длины волны датчика, не кратна четверти длины волны излучателя датчика.
RU2020124531A 2020-07-14 2020-07-14 Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости RU2747708C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124531A RU2747708C1 (ru) 2020-07-14 2020-07-14 Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124531A RU2747708C1 (ru) 2020-07-14 2020-07-14 Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2747708C1 true RU2747708C1 (ru) 2021-05-13

Family

ID=75919914

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020124531A RU2747708C1 (ru) 2020-07-14 2020-07-14 Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2747708C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4733933A (en) * 1984-01-20 1988-03-29 Hughes Aircraft Company Fiber optic structure and method of making
US4899585A (en) * 1988-07-19 1990-02-13 Semi-Gas Systems, Inc. Liquid level detector and method for a vapor deposition container
JPH0729422U (ja) * 1993-10-28 1995-06-02 日本航空電子工業株式会社 光ファイバ液面計
CN104964727A (zh) * 2015-07-14 2015-10-07 华中科技大学 一种光纤点式液位传感器
RU2564683C1 (ru) * 2014-03-27 2015-10-10 Татьяна Ивановна Мурашкина Волоконно-оптический уровнемер и способ его изготовления
RU2573661C2 (ru) * 2014-03-24 2016-01-27 Михаил Стефанович Коренев Способ измерения уровня жидкости и устройство с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой для его реализации (варианты)

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4733933A (en) * 1984-01-20 1988-03-29 Hughes Aircraft Company Fiber optic structure and method of making
US4899585A (en) * 1988-07-19 1990-02-13 Semi-Gas Systems, Inc. Liquid level detector and method for a vapor deposition container
JPH0729422U (ja) * 1993-10-28 1995-06-02 日本航空電子工業株式会社 光ファイバ液面計
RU2573661C2 (ru) * 2014-03-24 2016-01-27 Михаил Стефанович Коренев Способ измерения уровня жидкости и устройство с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой для его реализации (варианты)
RU2564683C1 (ru) * 2014-03-27 2015-10-10 Татьяна Ивановна Мурашкина Волоконно-оптический уровнемер и способ его изготовления
CN104964727A (zh) * 2015-07-14 2015-10-07 华中科技大学 一种光纤点式液位传感器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20090153846A1 (en) Fluid level indicator
US4994682A (en) Fiber optic continuous liquid level sensor
CA1082053A (en) Optical material level probe
CA1150969A (en) Sensor syringe
US5065037A (en) Corrosion resistant refractive and adsorptive type optical liquid level sensors
Lomer et al. A quasi-distributed level sensor based on a bent side-polished plastic optical fibre cable
US5422495A (en) Optical sensor having a floatation means for detecting fluids through refractive index measurement
US4893894A (en) Evanescent sensor
KR20120052219A (ko) 광섬유 액 레벨 검출기
CN103940456A (zh) 一种干涉型反射探针式光纤微传感器及其制作方法
CA1332205C (en) Fibre optic sensors for the continuous measurement of liquid level and other parameters
US4880990A (en) Optical liquid-level sensing apparatus
RU2747708C1 (ru) Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости
US6693285B1 (en) Fluorescent fluid interface position sensor
RU2327959C2 (ru) Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости
JPS5826226A (ja) 液面検知装置
RU2568990C1 (ru) Устройство для контроля уровня жидкости
JP5904578B2 (ja) 光学式液漏れ検知装置および方法
ES2294950B1 (es) Sistema sensor de fibra optica para medida de nivel de liquido en tanques.
RU2757976C1 (ru) Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости
RU2429453C2 (ru) Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости
JP2650998B2 (ja) 液体、気体等の検知用光ファイバ
RU2744159C1 (ru) Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости
JPS5635022A (en) Optical fiber liquid level indicator
RU2764387C1 (ru) Волоконно-оптический сигнализатор уровня и типа жидкости