RU2757976C1 - Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости - Google Patents
Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости Download PDFInfo
- Publication number
- RU2757976C1 RU2757976C1 RU2020124536A RU2020124536A RU2757976C1 RU 2757976 C1 RU2757976 C1 RU 2757976C1 RU 2020124536 A RU2020124536 A RU 2020124536A RU 2020124536 A RU2020124536 A RU 2020124536A RU 2757976 C1 RU2757976 C1 RU 2757976C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microlens
- sensor
- sensor according
- liquid
- fibre
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 12
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 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)
- 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. Датчик уровня жидкости, включающий источник излучения, приемник излучения, оптически сопряженные с волоконными световодами, противоположные торцы которых перпендикулярны их оптическим осям и установлены в оправе с зазором, при этом торец хотя бы одного из волоконных световодов оптически сопряжен с положительной микролинзой. Микролинза имеет сферическую переднюю поверхность или асферическую переднюю поверхность. Микролинза имеет гидрофобное или олеофобное прозрачное для используемой длины волны покрытие. Техническим результатом является создание пожаробезопасного и помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости и ее типа, поскольку позволяет избежать ложное срабатывание датчика в топливном баке, которое может привести к катастрофе из-за нехватки топлива. 9 з.п. ф-лы, 3 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 применение такого датчика 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. 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.
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 те же недостатки: т.к. зазор между торцами волокон должен составлять единицы миллиметров (иначе в процессе изменения уровня жидкости между ними может повиснуть капля или образоваться пузырек воздуха) потери полезного сигнала в воздухе могут достигать 20 дБ и более. В жидкости, вследствие изменения показателя преломления среды, апертурный угол меньше и сигнал несколько выше. Однако для безотказного срабатывания датчика желателен более мощный сигнал в воздухе и большая разность сигналов в воздухе и жидкости. Различить тип жидкостей с применением такой схемы сложно, т.к. разность показателя преломления жидкостей невелика, невелик и перепад мощности сигнала, в ряде случаев сопоставимый с погрешностью измерений.
Цель изобретения - создание пожаробезопасного и помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости и ее типа. Это достигается тем, что датчик содержит передающий и приемный волоконные световоды, установленные соосно с зазором между ними. Торцы световодов перпендикулярны оптической оси. Хотя бы один из световодов оптически сопряжен с собирающей линзой.
Варианты исполнения:
1. Одна линза со сферической передней поверхностью
2. Одна линза с асферической передней поверхностью
3. Одна шаровая линза
4. Одна наплавная линза
5. Две линзы со сферической передней поверхностью
6. Две линзы с асферической передней поверхностью
7. Две шаровые линзы
8. Две наплавные линзы
9. Линзы имеют гидрофобное, прозрачное для используемой длины волны покрытие
10. Линзы имеют олеофобное, прозрачное для используемой длины волны покрытие
Заявленные признаки являются существенными:
Когда торцы световодов датчика находятся в жидкости, показатели преломления линз и жидкости относительно близки, и излучение выходит расходящимся пучком, при этом апертурный угол меньше апертурного угла в воздухе, и он захватывает осевой приемный световод, который выдает сигнал на свой фотоприемник. В воздухе апертурный угол больше, но зато собирающие линзы преломляют излучение, коллимируют или фокусируют его, снижая потери сигнала в зазоре. Это упрощает обработку сигнала. Выбор материала (и показателя преломления линз) позволяет эффективно различать жидкости с различным показателем преломления.
Дополнительным положительным эффектом при этом является то, что выпуклая поверхность линз и их покрытие не удерживает каплю жидкости, как это часто происходит с плоским торцом световода, т.е. препятствует ложному срабатыванию датчика.
Для летательных аппаратов надежное разделение по типу жидкости особенно важно, поскольку ложное срабатывание датчика в топливном баке (наличие конденсатной свободной воды вместо керосина на замеряемом уровне) может привести к катастрофе из-за нехватки топлива.
На Фиг. 1 показана схема одного из вариантов конструкции:
Датчик состоит из передающего волоконного световода 1, приемного волоконного световода 2, источника излучения 3 и фотоприемника 4, подключенных к блоку обработки сигнала (не указан). Торцы световодов 1 и 2 оптически сопряжены с шаровыми линзами 5 и 6 соответственно.
На Фиг. 2 показано прохождение излучения для варианта конструкции:
а) Датчик в воздухе, линза 5 коллимирует излучение, выходящее из торца световода 1, линза 6 фокусирует его на торце световода 2.
б) Датчик в керосине, линза 5 уменьшает апертурный угол излучения, выходящего из торца световода 1, линза 6 еще раз уменьшает апертурный угол излучения, засвечивая плоскость торца световода 2.
Возможны варианты схем, например, наплавные микролинзы, сформированные за счет поверхностного натяжения расплавленного конца световода (Фиг. 3 - прохождение излучения в воздухе), или линза только на одном из световодов, например, передающем.
Claims (10)
1. Датчик уровня жидкости, включающий источник излучения, приемник излучения, оптически сопряженные с волоконными световодами, противоположные торцы которых перпендикулярны их оптическим осям и установлены в оправе с зазором, отличающийся тем, что торец хотя бы одного из волоконных световодов оптически сопряжен с положительной микролинзой.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что микролинза имеет сферическую переднюю поверхность.
3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что микролинза шаровая.
4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что микролинза имеет асферическую переднюю поверхность.
5. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что микролинза наплавная.
6. Датчик по пп. 1-5, отличающийся тем, что микролинза имеет гидрофобное прозрачное для используемой длины волны покрытие.
7. Датчик по пп. 1-5, отличающийся тем, что микролинза имеет олеофобное прозрачное для используемой длины волны покрытие.
8. Датчик по пп. 1-4, отличающийся тем, что микролинза имеет показатель преломления, близкий или равный показателю преломления исследуемой жидкости.
9. Датчик по пп. 1-4, отличающийся тем, что микролинза имеет показатель преломления больший, чем показатель преломления исследуемой жидкости.
10. Датчик по пп. 1-3, отличающийся тем, что зазор между торцами многомодовых волоконных световодов выбирается по формуле В ≥ 4R + 40d, где R - передний радиус линзы, а d - диаметр световедущей жилы световода.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020124536A RU2757976C1 (ru) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020124536A RU2757976C1 (ru) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2757976C1 true RU2757976C1 (ru) | 2021-10-25 |
Family
ID=78289474
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020124536A RU2757976C1 (ru) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2757976C1 (ru) |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0334533A2 (en) * | 1988-03-15 | 1989-09-27 | IMO INDUSTRIES Inc. | Fibre optic discrete or continuous liquid level sensor |
CN2094044U (zh) * | 1991-05-13 | 1992-01-22 | 中国人民解放军空军电讯工程学院 | 光纤液位仪的液位传感装置 |
CN2387521Y (zh) * | 1999-06-18 | 2000-07-12 | 广州市莲耦光纤高新技术有限公司 | 光纤位移传感器 |
JP2001108510A (ja) * | 1999-10-12 | 2001-04-20 | Ngk Insulators Ltd | 光磁気液面計 |
RU2355652C2 (ru) * | 2007-07-19 | 2009-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ВОСТЕК" (ООО "ВОСТЕК") | Способ изготовления высокоточных цилиндрических микролинз с различным профилем сечения |
RU108651U1 (ru) * | 2011-04-22 | 2011-09-20 | Александр Сергеевич Шпагин | Растровая система воспроизведения объемного изображения |
DE102014223280A1 (de) * | 2014-06-17 | 2015-12-17 | Robert Bosch Gmbh | Füllstandsgeber |
EA022678B1 (ru) * | 2009-12-31 | 2016-02-29 | Сатисло Аг | Оптическое изделие, содержащее временное противозапотевающее покрытие, характеризующееся улучшенной долговечностью |
-
2020
- 2020-07-14 RU RU2020124536A patent/RU2757976C1/ru active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0334533A2 (en) * | 1988-03-15 | 1989-09-27 | IMO INDUSTRIES Inc. | Fibre optic discrete or continuous liquid level sensor |
CN2094044U (zh) * | 1991-05-13 | 1992-01-22 | 中国人民解放军空军电讯工程学院 | 光纤液位仪的液位传感装置 |
CN2387521Y (zh) * | 1999-06-18 | 2000-07-12 | 广州市莲耦光纤高新技术有限公司 | 光纤位移传感器 |
JP2001108510A (ja) * | 1999-10-12 | 2001-04-20 | Ngk Insulators Ltd | 光磁気液面計 |
RU2355652C2 (ru) * | 2007-07-19 | 2009-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ВОСТЕК" (ООО "ВОСТЕК") | Способ изготовления высокоточных цилиндрических микролинз с различным профилем сечения |
EA022678B1 (ru) * | 2009-12-31 | 2016-02-29 | Сатисло Аг | Оптическое изделие, содержащее временное противозапотевающее покрытие, характеризующееся улучшенной долговечностью |
RU108651U1 (ru) * | 2011-04-22 | 2011-09-20 | Александр Сергеевич Шпагин | Растровая система воспроизведения объемного изображения |
DE102014223280A1 (de) * | 2014-06-17 | 2015-12-17 | Robert Bosch Gmbh | Füllstandsgeber |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4994682A (en) | Fiber optic continuous liquid level sensor | |
KR101721236B1 (ko) | 광섬유 액 레벨 검출기 | |
Lomer et al. | A quasi-distributed level sensor based on a bent side-polished plastic optical fibre cable | |
US5159834A (en) | Device for optoelectronic interface measurement and refractometry in liquids | |
GB2217834A (en) | Evanescent sensor | |
RU2327959C2 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости | |
RU2757976C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости | |
KR910021572A (ko) | 광섬유 연료 및 액체 게이지 | |
EP3290907B1 (en) | Device for measuring solution concentration | |
CN110763305B (zh) | 一种光电式液位测量方法 | |
JP4563600B2 (ja) | 光散乱測定プローブ | |
CN105866071A (zh) | 一种光纤干涉法测折射率的装置 | |
RU2744159C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости | |
RU2764387C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня и типа жидкости | |
JP5904578B2 (ja) | 光学式液漏れ検知装置および方法 | |
RU2429453C2 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости | |
RU2764388C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня и типа жидкости | |
Eftimov et al. | A simple multifunctional fiber optic level/moisture/vapor sensor using large-core quartz polymer fiber pairs | |
GB2295226A (en) | Apparatus for determination of an applanation surface for the measurement of eye pressure | |
RU2747708C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости | |
RU2796797C2 (ru) | Волоконно-оптический способ определения коэффициента преломления прозрачного вещества и реализующий его волоконно-оптический рефрактометрический измерительный преобразователь | |
RU78947U1 (ru) | Устройство измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью | |
RU2743339C1 (ru) | Способ контроля уровня и вида жидкости и волоконно-оптический сигнализатор уровня и вида жидкости для реализации этого способа | |
RU2297602C1 (ru) | Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости | |
CN104482984B (zh) | 基于pof光纤宏弯的液位传感器 |