SU1150488A1 - Волоконно-оптический датчик уровн - Google Patents

Abstract

ВОЛОКОННО-ШТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УРОВНЯ, содержащий последовательно расположенные источник излучени , передающее оптическое волокно, приемное оптическое волокно и приемник излучени , в котором передавшее и приемное волокна соедиие ы с первичньм преобразователем, выполненным в виде световода из оптически прозрачного материала, отличающийс  тем, что, с целью повышеIни  чувствительности датчика, по верхность первичного преобразовател . I й I обращенна  в сторону измер емых сред и ограниченна  апертурами волокон, выполнена в виде двух зеркально симметричных частей, кажда  из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проход щей через центры их торцов, причем центры спиралей совмещены с центрам торцов волокон, рассто ние t между которыми определ етс  соотношением 6 ехр

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и предназначено дл  измерени  уровн  или оптической плотности сред путем использовани  в составе дискретных уровнемеров и рефрактометров.

Известно устройство дл  измерени  уровн  жидкости, содержащее источник излучени , переданной световод, призму полного внутреннего отражени , приемный световод и приемник излучени  Л .

Наиоолее близким к предлагаемому , по технической сущности  вл етс  волоконно-оптический датчик уровн , содержащий последовательно расположенные источник излучени , передающе оптическое волокно; первичный преобразователь , приемное оптическое волокно и приемник излучени ; первичны преобразователь вьтолнен в виде плоских торцов передающего и приемного волокон, скоеенных под углом 90 друг к другу 2 .

В известных датчиках из передающего волокна на обращенную в сторону измер емых сред плоскую поверхность первичного преобразовател  падает расход щийс  пучок света, что снижает чувствительность датчика - минимальньй регистрируемый дискрет оптических плотностей этих сред.

Цель изобретени  повышение чувствительности .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в волоконно-оптическом датчике уровн , содержащем последовательно расположенные источник излучени , передак щее оптическое волокно, приемное оптическое волокно и приемник излучени , в котором передамщее и приемное волокна соединены с первичнь№{ преобразователем, выполненным в виде световода из оптически прозрачного материала, поверхность первичного преобразовател , обращенна  в сторону измер емых сред и ограниченна  апертурами волокон вьтолнена из двух зеркально симметричных частей кажда  из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали .вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проход щей через центры их торцов, при этом центры спиралей совмещены-с центрами торцов волокон, рассто ние I между которыми определ етс  соотношением

е ы. ехрСО, 5 7 tgoi)

(1) при А 2с5,

угол 2(j между ос ми волокон - соотношением

(2)

2(| 4 ОС -и,

а угол oi падени  луча, исход щего из центра торца передающего волокна, .на поверхность первичного преобразовател  - соотношением

Sin 0 - ,

(3) 1

где d - диаметр световедущей жилы

передающего волокна, п., п„- показатели преломлени  соответственно материала первичного преобразовател  и измер емой среды с меньшим показателем преломлени . На фиг. 1 приведена схема датчика ; на фиг. 2 - ход лучей в первичном преобразователе; на фиг. 3 графические зависимости усредненного коэффициента отражени  от показател  преломлени  внешней среды дл  прототипа предлагаемого датчика.

Волоконно-оптический датчик уровн  содержит источник 1 излучени , например полупроводниковый излучающий диод, оптически соединенньй с передающим оптическим волокном 2, который в свою очередь соединен посредством первичного преобразовател  3 с приемным оптическим волокном 4. Первичньй преобразователь выполнен из оптически прозрачного материала, например кварца. Его поверхность , обращенна  в сторону измер емых сред, состоит из двух зеркально симметричных частей, кажда  из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси OOj, лежащей в плоскости волокон и проход щей через центры JIX торцов (фиг. 2). Центры спиралей совпадают с центрами торцов соответствующих волокон,рассто ние Ч и угол (между которыми определ ютс  соотвественно соотношени ми (1) и (2), а угол oi падени  луча, исход щего из центра торца передающего волокна, на поверхность первичного преобразовател  выбираетс  из соотношени  (3)

Достаточно, чтобы поверхность .первичного преобразовател  имела

3

предложенную форму только в област х , ограниченных апертурами 2Q передающего и приемного волокон. Приемное волокно 4 оптически соединено с приемником 5 .излучени , например фотодиодом.

Устройство работает следукмцим образом.

Излучение источника 1 направл етс  передаклцим волокном 2 к первичному преобразователю 3. Поток излучени  1о из выходного торца передающего волокна 2 падает на первую часть рабочей поверхности первичного преобразовател  3. Форма рабочей поверхности первичного преобразовател  3 в любом сечении, проход щем через ось, соедин нщую центры торцов волокон 2 и 4, имеет вид логарифмической спирали, уравнение которой в пол рной системе координат с центром в точке О и осью X имеет вид р 0,25 А ехр(( tp,«) . В этом случае лучи из волокна 2 падают на первую часть поверхности первичного преобразовател  3 под одним и тем же углом о(, . Отраженное от первой части излучение падает на вторую часть рабочей поверхности также под углом

oi и, отража сь от нее, фокусируетс  на торце приемного волокна 4.

Как видно из фиг. 2, необходимьм условием фокусировани  излучени  на торце приемного волокна 4  вл етс  симметри  первичного преобразовател  3 относительно плоскости, проход щей через точку k пересечени  крайних лучей ОВ и OBj апертуры и перпендикул рной оси 00| . Это условие с точностью до 1% обеспечиваетс  при значени х 6 и 2 (j, определ емых соотношени ми (1) и (2), справедливых при малых значени х угла

0(6 12°).

1504884

Поток получени  I, поступающий в приемное волокно, равен

V

W

I

где коэффициент отражени  R определ етс , формулой Френел 

(n,co3()C--vn7-n 5in()6 )

,,----f -.J..- , ,

Ш R 0.5

(n,С09 06 - - n -nf 91 n ОС )

(n,C090 -4 l-n siyiVo6 Ojng) (n,CO 5ot+--(jn -nsin Ot П,/П2.)

где n и n - показатели преломлени  материала первичного преобразовател  и внешней среды.

Из выражений (4) и (5) следует, что при изменении показател  преломлени  внешней среды (например, при погружении датчика в жидкость) измен етс  и величина регистрируемого приемником 5 излучени  сигнала

Угол сх1 выбираетс  из соотношени  (3), при котором дл  внешней среды с меньшим показателем преломлешс  п,(например, воздуха) вьетолн етс  условие полного внутреннего отражени  .

На фиг. 3 приведены гранки зависимостей коэффи1щента отражетш R от показател  преломлени  внешней среды п лл  предлагаемого датчика (крива  1) и дл  прототипа (крива  2) построенные дл  слзгча  п. 1,47; oi - в Ю°.

Изобретение повышает чувствительность волоконно-оптического датчика к минимально регистрируемому дискрету оптических нлотностей измер емых сред.

с/

иг.1

Claims (2)

1. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УРОВНЯ, содержащий последовательно расположенные источник излучения, передающее оптическое волокно, приемное оптическое волокно и приемник излучения, в котором передающее и приемное волокна соединены с первичньв< преобразователем, выполненным в виде световода из оптически прозрачного материала, отличающийся тем,' что, с целью повышеIния чувствительности датчика, поверхность первичного преобразователя, обращенная в сторону измеряемых сред и ограниченная апертурами волокон, выполнена в виде двух зеркально симметричных частей, каждая из которых образована вращением отрезка логарифмической спирали вокруг оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их торцов, причем центры спиралей совмещены с центрами торцов волокон, расстояние t между которыми определяется соотношением

   Е= Asin² а! ехр(0, 57 tg«t) при А > 2ji_f угол 2 ψ между осями волокон - соотношением
2. 2 у - 4 οί - 7 , а угол ct падения луча, исходящего из центра торца передающего волокна, на поверхность первичного преобразователя - соотношением 'Sin οί > _} ⁿ1 где d - диаметр световедущей жилы передающего волокна;

   Пр nj,- показатели преломления соответственно материала первичного преобразователя и измеряемой среды с меньшим показателем преломления.

   I