Оптический уровнемер

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Трухан Владимир Михайлович Голякевич Татьяна Васильевна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Оптический уровнемер, содержащий размещенные на державке вертикально оптические детекторы с входными и выходными оптическими волокнами, источник света и устройство обработки данных, отличающийся тем, что содержит генератор импульсного напряжения, подключенный к резистивным дорожкам, которые нанесены на лицевые стороны оптических детекторов, выполненных из материала с большим температурным 11840 1 2009.04.30 коэффициентом показателя преломления, а входные и выходные оптические волокна присоединены к торцевым сторонам оптических детекторов таким образом, что осевые линии входного и выходного оптического волокна являются продолжением друг друга,причем плоскость, проходящая через центры торцов волокон перпендикулярно лицевой стороне, и вертикальная продольная плоскость симметрии резистивной дорожки пересекаются на торцевой стороне оптического детектора под углом 1-2. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения уровня жидкости в емкостях. Известен электронный датчик уровня, содержащий источник света, световоды с оболочкой одинаковой длины и фотоприемник, причем с части поверхности световодов на различной длине для каждого световода удалена оболочка 1. Концы оптических волокон собраны в жгуты, к которым крепятся источник света и фотоприемник. В оптических волокнах, оголенные участки которых контактируют с жидкостью, нарушается условие полного внутреннего отражения, и световая энергия выходит из волокон, что приводит к уменьшению сигнала, снимаемого с фотоприемника. Этот уровнемер конструктивно прост, однако имеет невысокую точность измерений, поскольку для полного ослабления света оголенный участок на каждом световоде должен быть достаточно протяженным. К недостаткам такого уровнемера следует отнести и невысокую надежность из-за возможного загрязнения окон световодов, а также большую зависимость точности измерений от изменений оптической плотности среды и стабильности работы источника света и фотоприемника. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является оптический уровнемер, содержащий размещенные на державке вертикально оптические детекторы, входные и выходные оптические волокна, источник света и устройство обработки данных 2. В этом устройстве оптические детекторы выполнены в форме треугольных призм, к одной из сторон которых присоединены входные и выходные волокна. Входными световодами детекторы соединены с источником света, а выходными световодами - с устройством обработки данных. Когда оптические детекторы контактируют с паром, лучи света претерпевают полное внутреннее отражение и попадают на выходные световоды. При погружении детекторов в жидкость условия полного внутреннего отражения нарушаются, и лучи преломляются в жидкости. Недостаток указанного устройства - в невысокой надежности, поскольку в случае загрязнения призм в устройство обработки данных поступает ложный сигнал о положении уровня жидкости. Этот недостаток обусловлен тем, что грани призм, от которых происходит отражение света, контактируют с жидкостью. Задача настоящего изобретения - в повышении надежности устройства для измерения уровня жидкости в емкостях. В заявленном устройстве решение этой задачи достигается тем, что в оптическом уровнемере, содержащем размещенные на державке вертикально оптические детекторы с входными и выходными оптическими волокнами, источник света и устройство обработки данных, дополнительно расположен генератор импульсного напряжения, подключенный к резистивным дорожкам, которые нанесены на лицевые стороны оптических детекторов,выполненных из материала с большим температурным коэффициентом показателя преломления, а входные и выходные оптические волокна присоединены к торцевым сторонам оптических детекторов таким образом, что осевые линии входного и выходного оптического волокна являются продолжением друг друга, причем плоскость, проходящая через центры торцов волокон перпендикулярно лицевой стороне, и вертикальная продольная плоскость симметрии резистивной дорожки пересекаются на торцевой стороне оптического детектора под углом 1-2. 2 11840 1 2009.04.30 Сущность изобретения состоит в следующем. При подаче импульсного напряжения на резистивную дорожку от генератора импульсного напряжения часть теплового потока,направленного от дорожки к оптическому детектору, создает в оптическом детекторе, выполненном из материала с большим температурным коэффициентом показателя преломления, область с градиентом показателя преломления, а другая часть теплового потока рассеивается в окружающей среде. Соотношение между величинами указанных тепловых потоков зависит от теплопроводности окружающей среды. Подача тепла в виде импульсов облегчает подбор режима, при котором в оптических детекторах, находящихся в жидкой фазе, градиент показателя преломления практически отсутствует, поскольку теплопроводность материала, из которого выполнен детектор, и теплопроводность жидкости являются величинами одного порядка, и тепловой импульс быстро рассеивается в большой массе жидкости. При нахождении оптических детекторов в паровой фазе практически весь тепловой поток проходит через детекторы, так как теплопроводность пара более чем на порядок меньше теплопроводности кристалла (ТВ/КР 0,5102), и в детекторах возникают области с градиентом показателя преломления. Световой поток от источника света по входным оптическим волокнам попадает в оптические детекторы. В случае нахождения детекторов в жидкости световой поток попадает в выходные оптические волокна и в устройство обработки данных. В случае нахождения оптических детекторов в паровой фазе световой поток, проходя через области с градиентом показателя преломления, отклоняется и не попадает в выходные оптические волокна. От этих детекторов не поступает сигнал в устройство обработки данных. Таким образом, по наличию или отсутствию сигнала в устройстве обработки данных можно судить о наличии жидкости в месте расположения детектора. Присоединение входных и выходных волокон к оптическим детекторам таким образом, что их осевые линии являются продолжением друг друга и плоскость, проходящая через центры торцов волокон перпендикулярно лицевой стороне, пересекается с вертикальной продольной плоскостью симметрии резистивной дорожки на торцевой стороне оптического детектора, по сравнению с прототипом, устраняет выход из строя детектора в результате загрязнения поверхности и обеспечивает прохождение светового потока в области максимального температурного градиента. На фиг. 1 схематически изображен оптический уровнемер. На фиг. 2 схематически изображен оптический детектор. Пример 1. Оптический уровнемер включает державку из фольгированного гетинакса 1, на котором сформированы две проводящие дорожки 2, соединенные с низкочастотным генератором сигналов 3 типа ГЗ-107. К державке приклеены параллельно друг другу оптические детекторы 4, соединенные входными оптическими волокнами 5 с источником света 6, выходными оптическими волокнами 7 с устройством обработки данных 8, которое в простейшем случае представляет собой световую линейку. На лицевых сторонах детекторов имеются резистивные дорожки 9, соединенные с помощью тоководов 10 с проводящими дорожками 2. Оптический детектор представляет собой призму 11 размером 0,5110 мм, изготовленную из материала с большим температурным коэффициентом показателя преломления,например из монокристалла 2. На лицевую сторону призмы нанесена никелевая резистивная дорожка 9 шириной 50 мкм и толщиной 0,5-1,5 мкм. Резистивная дорожка имеет контактные площадки 12 для припайки токоотводов 10. К торцевым сторонам призмы присоединены входное 5 и выходное 7 оптические волокна таким образом, что осевые линии входного и выходного оптических волокон являются продолжением друг друга, и плоскость 13, проходящая через центры торцов волокон перпендикулярно лицевой стороне пересекается с вертикальной продольной плоскостью 14 симметрии резистивной дорожки на торцевой стороне оптического детектора. Угол пересечения указанных плоскостей 13 и 14 составляет 1-2. Диаметр оптических волокон составляет 50 мкм. 3 11840 1 2009.04.30 Работа оптического уровнемера основана на эффекте отклонения оптического луча в среде, обладающей градиентом показателя преломления в направлении, нормальном направлению падения луча. В данном случае градиент показателя преломления создается термическим путем. Прибор работает следующим образом. Державку с оптическими детекторами устанавливают в контролируемом сосуде и световой поток от источника света направляют на входные оптические волокна. Проходя через оптические детекторы, по выходным оптическим волокнам световой поток поступает на световую линейку. При подаче импульсов на резистивные дорожки генератора импульсного напряжения в оптических детекторах, находящихся в паровой фазе, вблизи дорожек возникают области, обладающие градиентом показателя преломления. В результате этого в оптических детекторах происходит отклонение оптических лучей, световой поток не попадает на выходные оптические волокна, и соответствующие точки на световой линейке гаснут. В оптических детекторах, находящихся в жидкости, из-за более высокой теплопроводности жидкой фазы по сравнению с паром градиент показателя преломления отсутствует, и на световой линейке горят соответствующее точки. Импульсная подача мощности на резистивные дорожки обеспечивает стабильность работы уровнемера в течение длительного времени,поскольку мгновенная выделяемая резисторами мощность в период отсутствия импульса успевает рассеиваться в окружающей среде. Перед началом измерений проводят настройку уровнемера для работы в конкретной жидкости. Для этого путем плавного увеличения амплитуды импульсов при выбранной длительности 1 мс и скважности 2 подбирают такую минимальную величину мгновенной электрической мощности, при которой полностью гаснут выходные оптические волокна от детекторов, находящихся в паровой фазе. Точность измерений уровня жидкости определяется расстоянием между двумя близлежащими детекторами. Максимальная точность ограничена шириной призм. Использование предлагаемого уровнемера обеспечивает высокую надежность измерений. Точность измерений жидкости достигает 1 мм, а быстродействие не хуже 10 мс. Прибор прост в эксплуатации. Источники информации 1. А.с. СССР 1121588. 2. Заявка Великобритании 2121175, 1984. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4