RU2764387C1

RU2764387C1 - Fiber-optic liquid level and type detector

Info

Publication number: RU2764387C1
Application number: RU2020124529A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Репин
Original assignee: Александр Владимирович Репин
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2022-01-17

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention is intended to determine with a high degree of accuracy a level of liquid media with different refractive indices. A sensor for controlling a liquid level contains sequentially installed and optically matched radiation source, transmitting fiber light guide, sensing element, receiving fiber light guide and photodetector connected to signal processing unit, while the sensing element is made in the form of two segments of fiber light guides installed in a frame with a gap, optically matched, respectively, with transmitting and receiving fiber light guides, while the free end of the transmitting light guide of the sensing element is made with a bevel relatively to its optical axis, and the sensor additionally contains off-axis receiving light guides located in the same plane with the transmitting one, the distance to which from the axial receiving light guide is a function of a working wavelength of the radiation, an angle of the bevel of the end of the transmitting light guide, the gap between receiving and transmitting light guides and aperture angles of light guides for media being measured, wherein the plane of the bevel of the end of the transmitting light guide is perpendicular to the plane of optical axes of receiving light guides.

EFFECT: creation of a fireproof and noise-proof sensor for measuring the liquid level and type.

2 cl, 2 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 of control 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 a fire hazard due to the presence of electrical circuits, in fact, in the tank of the vehicle, and is not always reliable, because. pickups can occur in the signal wires - 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 shortcomings. An example is a fiber-optic liquid level indicator (RF patent No. 2297602), which uses the effect of reflection at the interface between media - 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 returned along the optical fibers to the photodetector. When the liquid level rises to the sensor part of the sensor, glass and liquid become the interface between the media, the refractive indices of which are close. The return signal level drops sharply, and the drop is fixed. Such a sensor allows you to determine not only the level of the liquid, but also its type: for example, water and kerosene have different refractive indices and, accordingly, different Fresnel reflection coefficients at the interface between 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 power difference 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 under conditions of sudden 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 interface between 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 показателей преломления жидкостей невелика, невелик и перепад мощности сигнала, в ряде случаев сопоставимый с погрешностью измерений.Also known fiber-optic liquid level sensors with receiving and transmitting light guides, for example, and.with. SU 1275220. In this case, the radiation comes out of one fiber and is received by another. 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 drawback: since the difference between the refractive indices of liquids is small, and the signal power drop is also small, in some cases comparable to the measurement error.

Цель изобретения - создание пожаробезопасного и помехозащищенного датчика измерения уровня жидкости и ее типа. 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, при этом чувствительный элемент выполнен в виде установленных соосно в оправе с зазором двух отрезков волоконных световодов, оптически согласованных соответственно с передающим и приемным волоконными световодами.The purpose of the invention is the creation of a fireproof and noise-proof sensor for measuring the level of liquid and its type. This is achieved by the fact that the sensor contains a series-installed and optically matched radiation source, a transmitting fiber light guide, a sensitive element, a receiving fiber light guide and a photodetector connected to the signal processing unit, while the sensitive element is made in the form of two fiber segments installed coaxially in a frame with a gap. light guides, optically matched, respectively, with the transmitting and receiving fiber light guides.

Датчик дополнительно содержит внеосевые приемные световоды, расположенные в одной плоскости с передающим. Свободный торец передающего световода чувствительного элемента выполнен со скосом относительно его оптической оси, при этом плоскость скоса перпендикулярна плоскости расположения оптических осей приемных световодов, а расстояние между соосным приемным световодом и последующими является функцией рабочей длины волны излучения, апертурных углов световодов для измеряемых сред, угла скоса торца передающего световода и расстояния между передающим и приемными световодами.The sensor additionally contains off-axis receiving light guides located in the same plane as the transmitting one. The free end of the transmitting light guide of the sensitive element is made with a bevel relative to its optical axis, while the bevel plane is perpendicular to the plane of the optical axes of the receiving light guides, and the distance between the coaxial receiving light guide and the subsequent ones is a function of the operating wavelength of the radiation, the aperture angles of the light guides for the measured media, the bevel angle the end of the transmitting fiber and the distance between the transmitting and receiving fibers.

Несоосные приемные световоды могут быть расположены к оптической оси передающего под углом, не превышающим апертурный угол световода для соответствующей его положению среды.Non-coaxial receiving fibers can be located to the optical axis of the transmitting fiber at an angle not exceeding the aperture angle of the fiber for the medium corresponding to its position.

Заявленные признаки являются существенными.The claimed features are essential.

Когда торец датчика находится, например, в керосине, апертурный угол передающего световода минимален и практически соосен его оптической оси, он захватывает осевой приемный световод, который выдает сигнал на свой фотоприемник. В воде апертурный угол больше и больше отклоняется от оси, поскольку показатель преломления воды существенно меньше. Сигнал фиксируется либо на осевом и на части удаленных (внеосевых) приемных световодов и соответствующих им фотоприемниках, либо только на части удаленных. В воздухе апертурный угол наибольший, и отклонение луча от оси максимально. Сигнал фиксируется периферийными световодами и фотоприемниками. Таким образом, датчик, бывший аналоговым для уровня жидкости и аналоговым для ее состава, становится по сути цифровым ("да-нет") и для уровня, и для состава жидкости. 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.When the end of the sensor is, for example, in kerosene, the aperture angle of the transmitting light guide is minimal and practically coaxial with its optical axis, it captures the axial receiving light guide, which outputs a signal to its photodetector. In water, the aperture angle deviates more and more from the axis, since the refractive index of water is much smaller. The signal is fixed either on the axial and on a part of the remote (off-axis) receiving light guides and their corresponding photodetectors, or only on a part of the remote ones. In air, the aperture angle is the largest, and the deviation of the beam from the axis is maximum. The signal is recorded by peripheral light guides and photodetectors. Thus, a sensor that used to be analog for liquid level and analog for liquid composition becomes essentially digital (yes-no) for both level and liquid composition. For aircraft, reliable separation by type of liquid is especially important, since a false alarm in the fuel tank (the presence of condensate free water instead of kerosene at the measured level) can lead to a catastrophe due to lack of fuel.

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

Датчик состоит из передающего световода 1, приемных световодов 2, 3, 4, источника излучения 5 и фотоприемников 6, 7, 8, подключенных к блоку обработки сигнала (не указан). Свободный торец световода 1 выполнен со скосом относительно его оптической оси. Оптические соединители на схеме не указаны, т.к. их расположение не имеет принципиального значения.The sensor consists of a transmitting light guide 1, receiving light guides 2, 3, 4, a radiation source 5 and photodetectors 6, 7, 8 connected to a signal processing unit (not specified). The free end of the light guide 1 is made with a bevel relative to its optical axis. Optical connectors are not shown on the diagram, because their location does not matter.

На Фиг. 2 показано прохождение излучения для варианта конструкции.On FIG. 2 shows the transmission of radiation for a design option.

Апертурный угол для среды 1, например, керосина 9. Засвечен световод 2.Aperture angle for medium 1, e.g. kerosene 9. Light guide 2 illuminated.

Апертурный угол для среды 2, например, воды 10. Засвечен световод 3.Aperture angle for medium 2, e.g. water 10. Light guide 3 illuminated.

Апертурный угол для среды 3, например, воздуха 11. Засвечен световод 4.Aperture angle for medium 3, for example, air 11. Light guide 4 is illuminated.

Возможны варианты схем, например, большее количество приемных световодов в каждой зоне.Variants of schemes are possible, for example, a larger number of receiving light guides in each zone.

Claims

1. A sensor for monitoring the liquid level, containing a radiation source installed in series and optically matched, a transmitting fiber light guide, a sensitive element, a receiving fiber light guide and a photodetector connected to a signal processing unit, while the sensitive element is made in the form of two segments installed in a frame with a gap fiber light guides, optically matched respectively with the transmitting and receiving fiber light guides, characterized in that the free end of the transmitting light guide of the sensitive element is made with a bevel relative to its optical axis, and the sensor additionally contains off-axis receiving light guides located in the same plane as the transmitting one, the distance to which from the axial receiving fiber is a function of the operating wavelength of the radiation, the bevel angle of the end face of the transmitting fiber, the gap between the receiving and transmitting fibers, and the aperture angles of the fibers for the measured media, and the bevel plane of the end of the transmitting fiber is perpendicular to the plane of the optical axes of the receiving fibers.

2. The 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.