SU1280329A1 - Волоконно-оптический уровнемер - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть применено дл  непрерывного контрол  уровн  жидкости. Цель изобретени  - повышение надежности работы устройства . С этой целью в волоконно-оптическим уровнемере, содержащем последовательно соединенные источник излучени  1, волоконно-оптическую линию 2 передачи информации, чувствительный элемент 3 и приемник излучени  4, волоконный световод чувствительного элемента 3 выполнен с изме (Л

Description

Л

LffS.

н ющимс  вдоль оптической оси показателем преломлени  материала. Значение показател  преломлени  уменьшаетс  снизу вверх в соответствии с определенными соотношени ми. При наличии в резервуаре жидкости дл  части светового излучени  от источника 1 нарушитс  условие полного внутреннего отражени  на границе световод жидкость , что приведет к изменению интенсивности светового потока, приход щего к приемнику 4. Благодар  измен ющемус  вдоль оптической оси показателю преломлени  материала световода угол конуса световых лучей по мере их движени  вдоль чувствительного элемента монотонно возрастает . 3 ил.

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть применено дл  непрерывного контрол  уровн  жидкостей в резервуарах. Целью изобретени   вл етс  упрощение конструкции, повышение надежности устройства. На фиг.1 представлена принципиальна  схема предлагаемого уровнемера; на фиг.2 - характер изменени  значени  показател  преломлени  вдоль чувствительного элемента; на фиг.З - функци  преобразовани  уровнемера при контроле уровн  различных жидкостей. . В предлагаемом устройстве используетс   вление увеличени  угла конуса распространени  лучей.в световоде с уменьшающимс  вдоль оптической оси показателем преломлени , а также за висимости числа лучей (а, соответственно , интенсивности) от показател преломлени  контролируемой жидкости и ее уровн . В световоде с посто нным сечением S инварианта Штраубел  записываетс  следующим образом; nSsin-U const, где S - сечение световода; п - показатель преломлени ; и - угол распространени  луча с оптической осью световода Пусть в начале чувствительного элеме та показатель преломлени  равен п(0) п., а угол распространени  - Ug. Следовательно, согласно вьфажени  (1) на рассто нии х от начала чувствительного элемента дл  произведени  п (x)Sin и(х) можно записать п(х) sin и(х) п,- sin Ug, (2 где п(х) - показатель преломлени  в точке X чувствительного элемента; и(х) - угол распространени  луча с оптической осью в точке х. Определим, в какой точке х чувствительного элемента, луч вошедший в него под углом с оптической осью Up, покинет чувствительный элемент из-за нарушени  услови  полного внутреннего отражени . Синус угла падени  на границу раздела световод среда в точке х sinoi cos U(x) -л|1 - sinU(x). Пд С другой стороны sin об 7) t где п - показатель преломлени  окружающей среды. Следовательно -2jj л|1 - ). (3) Подставим значение sin U(x) из выражени  (2) sg)) Выразим из выражени  (4) sin :3in U, ----Jn4x) - . (5) ) Анализ выражени  (5) показывает, что с увеличением рассто ни  х от начала чувствительного элемента, т,е. с уменьшением п(х), так как п(х) уменьшаетс  снизу вверх с увеличением X, уменьшаетс  sin Uj, (х), определ ющий конус световых лучей на входе в чувствительный элемент, дл  которых вьшолн етс  условие полного внутреннего отражени .

Изменение Интенсивности распростран ющегос  потока 1 пропорционально изменению (х), величина которого определ ет конус световых лучей, на входе дл  которых выполн етс  условие полного внутреннего отражени . Следовательно

Кх) К (х),

(6) где К - коэффициент пропорциональности . Чувствительность устройства S оп„ dl(x) редел етс  из соотношени  S ---. С целью линеаризации функции преобра зовани  требуетс , чтобы S const -oi, dx так как с увеличением х происходит уменьшение 1(х). С учетом выражени  (5) и (6) выр жение дл  S можно записать следующим образом: 5 кЛ((х)) 5r -S; W- 5lК d 2/ ч -2 j пЧх) -ai. n dx Выражение (8) можно представить, в виде ) , (9 , oi где b --- const. в результате интегрировани  выражени  (9) имеет п(х) с - , (10) где с - посто нна  интегрировани . Определим посто нные коэффициенты с и b из граничных условий следующим образом. При X - Оп(0) п, (значению показател  преломлени  в нижней точке чувствительного элемента). С учетом выражени  (10) дл  посто нной с имеем с n (11) При X L верхн   точка чувствительного элемента n(L) и,- дп, гдедп общее изменение йоказател  преломлени  чувствительного элемента. Подставим значение n(L) в выражение (10)

(п,- лп)2 nf - .(12)

Так как п, лп (пор дка в 20-50 раз), то (п , - U п)i п - 2п,йп. С учетом этого, дл  выражени  (12) имеем

п, - 2п,йп п - .(13)

о

Claims (2)

1. Откуда посто нна  b имеет следующее значение. Таким образом, с учетом выражений (11) и (14) изменение показател  преломлени  вдоль оптической оси х чувствительного элемента определ етс  выражением 2йп 1 п(х) n,-Jl . (16) При выполнении чувствительного элемента с измен ющимс  вдоль оптической оси показателем преломлени , определ емом выражением (16), интенсивность светового излучени  по мере движени  лучей вдоль чувствительного элемента уменьшаетс  равномерно, что обеспечивает линейную функцию преобразовател  устройстве и посто нную чувствительность по всему диапазону измерени . Подставим выражение (16) в (5) ,т / 1 2/1 2йпх г in и.,(х) (1г-)-п . п, 1 п L 2 При X О имеем in и о (О) - п При X L имеем тт /т 1 2 ч 2bnv г sin. U(L) ---njn d- ---) - n. (19) Выражение (19) показывает лучи, углами распространени  которых на выходе чувствительного элемента пройдут через световод чувствительного элемента без потерь, т.е. все лучи, углы распространени  которых на входе Ug и,, (L) пройдут световод чувствительного элемента без потерь. Видно, что sin UO(L) определ етс  как параметрами самого чувствительного злемента (n,, u n) , так и параметрами окружающей среды (п). Если окружающа  среда воздух с п 1, то выражение (19) примет сл дующий вид: n(,-2f)sin и„(2) Соответственно интенсивность светов го потока, прощедшего чувствительный элемент без потерь, на нарушени услови  полного внутреннего отражени  определ емс  согласно выражению (6) выражением (1 ) - l. . (21 В дальнейшем будем рассматривать только те лучи, которые на воздухе .проход т чувствительный элемент без потерь, так как именно эти лучи (и изменение их количества) несут инфо мацию об изменении уровн  жидкости. . Если окружающа  чувствительный элемент среда имеет показатель преломлени  , то интенсивность све вого патока 1, прошедшего чувствите ный канал без потерь, определ етс  выражением К Г , 7 (-1 1 ( 1 -) Изменение уровн  жидкости 2 приводи к тому, что в большинстве случаев ч ствительный элемент бывает частично погружен в жидкость. В этом случае величину п надо заменить на некото рый эффективный показатель преломле ни  п, который учитывает показате преломлени  контролируемой жидкости ее уровень, Так как сечение световода чувств тельного элемента есть величина, то можно записать соотношение n,(L-. , (Пж - n в. Г где t - уровень жидкости;. п. - показатель преломлени  жидкости; n - показатель преломлени  возДУ -а . Так как п 1, ( ,,J96 При i Оп, 1, что соответствует нахождению чувствительного элемента на воздухе, при t Ьп,фа п, что соответствует полностью погруженному в жидкость чувствительному элементу. С учетом выражений (22) и (24) интенсивность света, прошедшего частично погруженный в жидкость с п чувствительный элемент, можно определить выражением (,)1.,Г), где - уровень жидкости или прот женность прогруженного в дадкость участка чувствительного элемента. Соответственно, относительное (к сигналу на воздухе I ) изменение сигнала (интенсивности светового потока) на выходе чувствительного элемента определ етс  соотнощением п(1- )-() H/L n()При полностью погруженном в жидкость чувствительном элементе сигнал на выходе чувствительного элемента должен быть отличным от О, иначе чувствительность в верхней точке диапазона измерени  будет очень малой. Это значит, что при 2 L числитель выражени  (26) должен быть больше О 2 ,. . 1 .i --п:.жВыража  из этого неравенства п, получим ,,. |1 (1 .D|j Выражение (26)  вл етс  математической моделью предлагаемого устройства . Анализиру  выражение (26), можно сделать вывод, что с -увеличением уровн  жидкости I относительный сигнал на выходе чувствительного эле- мента уменьшаетс , так как уменьшаетс  числитель выражени . Схема устройства (фиг.1) состоит из источника излучени  1, волоконнооптической линии 2 передачи информации , чувствительного элемента 3, выполненного из световода с измен ющимс  вдоль оптической оси показателем пре , ломлени ,приемника излучени  4.Чувствитальный элемент 3 закреплен в корпу се 5 и помещен в резервуар 6, в котором происходит контролируемое изменение уровн  Ж1ЩКОСТИ. Выносными лини ми АА обозначены границы чувствительного элемента длиной L. Стрелками с цифрами показаны соответствующие значени  показател  преломлени  чувствительного элемента в точках с х 0; О, 25L; 0,5L; 0,75L; 1,OL. Устройство работает следующим об разом. Световое излучение от источника .посредством волоконно-оптической ли НИИ 2. передачи информации подводитс к чувствительному элементу 3 с изме н ющимс  вдоль оптической оси показателем преломлени . Пройд  чувстви тельньш элемент 3, Световое излучение посредством волоконно-оптической линии передачи информации попад ет на приемник излучени  4, сигнал которого контролируетс  измерительн ми приборами. В отсутствие жидкости сигнал на выходе чувствительного элемента определ етс  только теми лучами, дл  которых по всей длине чувствительного элемента 3 выполн етс  условие полного внутреннего отражени  (выражение (21)). Число лучей, прошедших чувствительный элемент, посто нно, соответственно посто нна и интенсивность светового потока I (21), падающего на приемник излучени . При по влении жидкости с показателем преломлени  п 1, дл  части лучей нарушаетс  условие полного внутреннего отражени  на границе све товод - жидкость и они покидают чув ствительный элемент и выход т в жидкость . Соответственно измен етс  интенсивность светового потока, падающего на приемник излучение, что фиксируетс  измерительными приборами. Так как чувствительный элемент : выполнен с измен ющимс  вдоль оптической оси показателем преломлени , причем уменьшение преломлени  происходит снизу вверх, то угол конуса световых лучей по мере их движени  вдоль чувствительного элемента монотонно возрастает.Следовательно, дл  каждого участка чувствительного элемента имеютс световые лучи, дл  которы при погружении этого участка чувстви тельного элемента нарушаетс  условие полного внутреннего отражени . Поэтому при увеличении уровн  жидкости И световые лучи покидают чувствительный элемент постепенно, по мере нарушени  дл  них услови  полного внутреннего отражени  на границе чувствительньм элемент - жидкость. Соответственно происходит уменьшение интенсивности светового потока, падающего на приемник излучени , что фиксируетс  измерительными приборами. При уменьшении уровн  жидкости число лучей , прошедщих чувствительньй элемент , возрастает, что приводит к увеличению интенсивности светового потока , падающего на приемник излучени  , что также фиксируетс .измерительными приборами. На фиг.2 цифрой 7 показан характер изменени  показател  преломлени  вдоль чувствительного элемента. Цифрой 8 дл  сравнени  показана линейна  зависимость. На фиг.З показаны зависимости относительного изменени  тока фотодиода от относительного изменени  уровн  жидкости I/If, f(l/L) или функци  преобразовани  устройства; цифрой 9 показана зависимость дл  воды (п г 1,33), цифрой 10 - дл  ацетона (,36), цифрой 11 - дл  бензина (,38). Анализ зависимостей, изображенных на фиг.З, показывает, что при контролировании уровн  бензина функци  преобразовани  линейна, а дл  воды и ацетона она близка к линейной. Формула изобретени  1. Волоконно-оптический уровнемер, содержащий последовательно соединенные источник излучени , волоконнооптическую линию передачи, чувствительный элемент, выполненный в виде световода, и приемник излучени , отличающийс  тем, что, с целью повьш1ени  надежности работы стройства, чувствительный элемент. выполнен в виде пр молинейного волоkoHHo-оптического световода с изме ющимс  вдоль оптической оси показателем преломлени  материала светоода .
2. 2. Уровнемер поп.1, отличащийс  тем, что изменение поазател  преломлени  материала све