RU2751646C1 - Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа - Google Patents
Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2751646C1 RU2751646C1 RU2020124540A RU2020124540A RU2751646C1 RU 2751646 C1 RU2751646 C1 RU 2751646C1 RU 2020124540 A RU2020124540 A RU 2020124540A RU 2020124540 A RU2020124540 A RU 2020124540A RU 2751646 C1 RU2751646 C1 RU 2751646C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- splitter
- fiber
- light guide
- signal
- liquid
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 30
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 17
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 abstract description 2
- 230000009970 fire resistant effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 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
- G01F23/28—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 by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
- G01F23/284—Electromagnetic waves
- G01F23/292—Light, e.g. infrared or ultraviolet
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
Abstract
Изобретение предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления, в том числе в нестационарных объектах. Техническим результатом является создание надежного способа измерения уровня жидкости и пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для осуществления этого способа. Способ контроля уровня жидкости, включающий погружение одного из торцов волоконного световедущего элемента в контролируемую емкость, засветку второго торца световедущего элемента и последующую оценку мощности отраженного от погруженного торца сигнала, при этом засветку ведут не менее чем двумя некратными по длине волн излучателями и о результате судят по большему значению мощности отраженного сигнала для заданных длин волн. Датчик включает чувствительный элемент с сигнальным торцом световода, подводящий волоконный световод, направленный волоконно-оптический разветвитель, к выходным полюсам разветвителя подключены источник излучения и фотоприемник, а входной полюс подключен к подводящему волоконному световоду, при этом к выходному полюсу разветвителя подключен не менее чем один дополнительный источник излучения с некратной первому источнику длиной волны излучения. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения с высокой степенью точности уровня жидких сред с различными показателями преломления.
Известны способы контроля датчиками уровня жидкости с использованием электрических схем. Примером может служить датчик уровня жидкости для бака транспортного средства (патент РФ №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.
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.
Однако датчики такого типа обладают определенными эксплуатационными недостатками. В процессе освобождения световода от жидкости на его торце некоторое время остается истончающаяся пленка жидкости, при этом возникает своеобразное просветляющее покрытие переменной во времени толщины.
Результатом взаимодействия излучения, поступающего по световоду к торцу, с таким покрытием, будет переменный во времени отраженный сигнал, мощность которого зависит от толщины пленки и длины волны излучателя - до полного стекания пленки жидкости, ее полного испарения или стабилизации толщины. Это на несколько секунд, а иногда до минут может задержать получение точного результата. Колебания сигнала могут достигать 5 дБ и более, что на подвижных объектах, например, в топливных баках летательных аппаратов, может быть истолковано как колебания уровня топлива в зоне датчика в результате маневра летательного аппарата или атмосферных возмущений ("болтанки"), в то время, как его реальный расход уже значительно выше. Поэтому такой способ измерения уровня жидкости нельзя признать полностью надежным.
Цель изобретения - создание надежного способа измерения уровня жидкости и пожаробезопасного и помехозащищенного датчика для осуществления этого способа. Это достигается тем, что при погружении одного из торцов волоконного световедущего элемента в контролируемую емкость, засветке второго торца световедущего элемента и последующей оценке мощности отраженного от погруженного торца сигнала на торец чувствительного элемента по оптическому волокну подают оптический сигнал не менее, чем от двух излучателей с некратными длинами волн излучения, фиксируют отраженный обратно в волокно от торца сигнал, а о результате судят по большему значению мощности отраженного сигнала для заданных длин волн. Возможны варианты этого способа измерения:
1. Сигналы от источников излучения подают на торец волоконного световода последовательно, и так же последовательно оценивают.
2. Сигналы от источников подают параллельно и оценивают смешанный отраженный сигнал.
3. Сигналы от источников подают параллельно, после отражения их спектрально разделяют и оценивают раздельно.
Этим вариантам способов измерения соответствуют различные оптические схемы волоконно-оптических датчиков уровня жидкости, например:
1. Датчик, включающий чувствительный элемент с сигнальным торцом волоконного световода, подводящий волоконный световод, два последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителя, к выходным полюсам первого подключаются источники излучения с некратной друг другу длиной волны излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя, второй выходной полюс второго разветвителя подключен к фотоприемнику, а входной полюс - к подводящему световоду.
2. Датчик, включающий чувствительный элемент с сигнальным торцом волоконного световода, подводящий волоконный световод, два последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителя, к выходным полюсам первого подключаются источники излучения с некратной друг другу длиной волны излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя, второй выходной полюс второго разветвителя подключен к входу оптического демультиплексора, а входной полюс - к подводящему световоду. Выходы демультиплексора подключены к фотоприемникам.
Заявленные признаки являются существенными:
Когда толщина слоя жидкости на торце датчика (по сути - просветляющего покрытия, т.к. коэффициент преломления у многих жидкостей меньше, чем у световода) равняется или кратна 1/4 длины волны излучения, лучи, отраженные от ее наружной и внутренней сторон, гасятся вследствие интерференции и их интенсивность становится равной нулю, т.е. датчик фиксирует ложное срабатывание, показывает наличие жидкости.
Применение других источников с некратными первому источнику длинами волн в этот же момент (или близкий к нему по времени, поскольку, например, смена длины волны может вестись с высокой частотой) обеспечит нормальное срабатывание датчика, поскольку для другой длины волны пленка такой толщины не будет просветляющей, а о результате судят по большему значению отраженного сигнала для заданных длин волн.
Возможна и параллельная засветка торца световода - либо с суммированием отраженных сигналов и их оценкой, либо с их разделением по длинам волн на демультиплексоре и раздельной оценкой по максимальному значению. Эти способы также обеспечат нормальное срабатывание датчика.
На практике потери оптической мощности возвратного сигнала при контакте торца волокна с воздухом составляют 20...22 дБ при последовательном включении излучателей, 17… 19 дБ при одновременном включении излучателей, при контакте с жидкостью - 28…33 дБ в норме; а в том случае, если одна из длин волн дает ложное срабатывание, вторая дает истинное значение, а оценку ведут по суммарному сигналу, потери составляют 20…22 дБ.
На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов конструкции:
Датчик состоит из чувствительного элемента: волоконного световода 1 с сигнальным торцом 2, подводящего волоконного световода 3, двух последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителей 4 и 5. К выходным полюсам первого разветвителя 4 волоконными световодами 6 и 7 подключаются источники излучения 8 и 9 с некратными друг другу длинами волн излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс волоконным световодом 10 подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя 5, второй выходной полюс второго разветвителя подключен волоконным световодом 11 к фотоприемнику 12, а входной полюс - к подводящему световоду 3. Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.
На Фиг. 2 показана схема второго варианта конструкции: Датчик состоит из чувствительного элемента: волоконного световода 1 с сигнальным торцом 2, подводящего волоконного световода 3, двух последовательно включенных волоконно-оптических направленных Y-разветвителей 4 и 5. К выходным полюсам первого разветвителя 4 волоконными световодами 6 и 7 подключаются источники излучения 8 и 9 с некратными друг другу длинами волн излучения (например, 1310 и 1550 нм), его входной полюс волоконным световодом 10 подключен к одному из выходных полюсов второго разветвителя 5, второй выходной полюс второго разветвителя подключен волоконным световодом 11 к входу оптического демультиплексора 13, а входной - к подводящему световоду 3. Выходы демультиплексора 13 волоконными световодами 14 и 15 подключены к фотоприемникам 12 и 16 соответственно.
Возможны варианты схем, например большее чем 2, количество излучателей и фотоприемников и иные типы разветвителей, например, направленные разветвители, имеющие более двух выходных полюсов, к которым подключены излучатели и фотоприемник.
Claims (8)
1. Способ контроля уровня жидкости, включающий погружение одного из торцов волоконного световедущего элемента в контролируемую емкость, засветку второго торца световедущего элемента и последующую оценку мощности отраженного от погруженного торца сигнала, отличающийся тем, что засветку ведут не менее чем двумя некратными по длине волн излучателями и о результате судят по большему значению мощности отраженного сигнала для заданных длин волн.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигнал от источников подают последовательно и так же последовательно оценивают.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигналы от источников подают параллельно и оценивают смешанный отраженный сигнал.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сигналы от источников подают параллельно, после отражения их спектрально разделяют и оценивают раздельно.
5. Датчик для контроля уровня жидкости для осуществления способа по пп. 1 – 3, включающий чувствительный элемент с сигнальным торцом световода, подводящий волоконный световод, направленный волоконно-оптический разветвитель, к выходным полюсам разветвителя подключены источник излучения и фотоприемник, а входной полюс подключен к подводящему волоконному световоду, отличающийся тем, что к выходному полюсу разветвителя подключен не менее чем один дополнительный источник излучения с некратной первому источнику длиной волны излучения.
6. Датчик для контроля уровня жидкости для осуществления способа по пп. 1, 4, включающий чувствительный элемент с сигнальным торцом световода, подводящий волоконный световод, направленный волоконно-оптический разветвитель, к выходным полюсам разветвителя подключены источник излучения и фотоприемник, а входной полюс подключен к подводящему волоконному световоду, отличающийся тем, что к выходным полюсам разветвителя подключен не менее чем один дополнительный источник излучения с некратной первому источнику длиной волны излучения и оптический демультиплексор, а количество фотоприемников равно числу рабочих длин волн.
7. Датчик по п. 5, отличающийся тем, что основной и дополнительный излучатели подключены к направленному разветвителю через второй направленный разветвитель, соединенный с первым последовательно.
8. Датчик по п. 5, отличающийся тем, что направленный разветвитель имеет более двух выходных полюсов, к которым подключены излучатели и фотоприемник.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020124540A RU2751646C1 (ru) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020124540A RU2751646C1 (ru) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2751646C1 true RU2751646C1 (ru) | 2021-07-15 |
Family
ID=77019854
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020124540A RU2751646C1 (ru) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2751646C1 (ru) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4260883A (en) * | 1978-02-15 | 1981-04-07 | Hitachi, Ltd. | Optical measurement system |
US5068527A (en) * | 1987-01-07 | 1991-11-26 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Wide range fiber optical displacement sensor |
RU2064665C1 (ru) * | 1993-12-02 | 1996-07-27 | Ульяновское высшее военно-техническое училище им.Богдана Хмельницкого | Устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах |
RU46353U1 (ru) * | 2005-02-10 | 2005-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Корпорация ИМС" | Устройство для определения уровня налива и количества продукта |
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) |
US10371559B2 (en) * | 2017-04-17 | 2019-08-06 | The Boeing Company | Differential spectral liquid level sensor |
RU2697033C1 (ru) * | 2018-05-07 | 2019-08-08 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ имени генерала армии А.В. Хрулева" | Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер |
-
2020
- 2020-07-14 RU RU2020124540A patent/RU2751646C1/ru active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4260883A (en) * | 1978-02-15 | 1981-04-07 | Hitachi, Ltd. | Optical measurement system |
US5068527A (en) * | 1987-01-07 | 1991-11-26 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Wide range fiber optical displacement sensor |
RU2064665C1 (ru) * | 1993-12-02 | 1996-07-27 | Ульяновское высшее военно-техническое училище им.Богдана Хмельницкого | Устройство для измерения уровня жидкости в резервуарах |
RU46353U1 (ru) * | 2005-02-10 | 2005-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Корпорация ИМС" | Устройство для определения уровня налива и количества продукта |
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) |
US10371559B2 (en) * | 2017-04-17 | 2019-08-06 | The Boeing Company | Differential spectral liquid level sensor |
RU2697033C1 (ru) * | 2018-05-07 | 2019-08-08 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ имени генерала армии А.В. Хрулева" | Взрывобезопасный волоконно-оптический уровнемер |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4342919A (en) | Fiber optical measuring device | |
US5164608A (en) | Plural wavelength fiber optic liquid level sensor for multiple liquids | |
GB2217834A (en) | Evanescent sensor | |
ATE27489T1 (de) | Faseroptische messeinrichtung. | |
US5138153A (en) | Distributed fiber-optic sensor with substance selective permeable coating | |
CN110260947A (zh) | 一种光纤液位传感器及传感方法 | |
Sohn | Liquid sensors using refractive intensity at the end-face of a glass fiber connected to fiber-Bragg grating | |
US9250184B2 (en) | Status estimation device, status estimation method and program for ultraviolet curable resin | |
RU2751646C1 (ru) | Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа | |
WO1982004310A1 (en) | Fiber optic interferometer | |
Bownass et al. | Detection of high humidity by optical fibre sensing at telecommunications wavelengths | |
CN107389154B (zh) | 基于ofdr的空心光纤连续液位传感装置及测量方法 | |
US20120162654A1 (en) | Water-in-fuel sensor | |
RU2743339C1 (ru) | Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа | |
EP0448089A2 (en) | Optical probe to determine the turbidity of a solution by immersion | |
González-Vila et al. | Optical power-based interrogation of plasmonic tilted fiber Bragg grating biosensors | |
JPS62159027A (ja) | 油の劣化度検出装置 | |
RU2764388C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня и типа жидкости | |
RU2764387C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня и типа жидкости | |
Kharaz et al. | A distributed fibre optic sensing system for humidity measurement | |
Mahdi et al. | Manufacture of fiber optic sensors to measure the PH water | |
RU2757976C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости | |
JPS57194324A (en) | Optical temperature measuring device | |
Lennie et al. | Near-infrared sensing utilizing the evanescent field | |
JP7231689B2 (ja) | 腕時計ケースの内部の相対湿度レベルを測定するためのアセンブリ |