Волоконно-оптический датчик жидких сред

Волоконно-оптический датчик жидких сред

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровней жидких сред. Целью изобретения является увеличение светосилы датчика и снижение расхода световодов при изготовлении датчика. Излучение источника 1 вводится в световод 2 и направляется к чувствительному элементу 3. Пучок лучей, выходящих с торца передающего световода, отражается эллиптической поверхностью чувствительного элемента 3, формирует в области фокуса эллипсоида изображение торца световода 2 и далее попадает на торец приемного световода 4. Форма поверхности чувствительного элемента 3 выбрана так, что поверхности торцов световодов расположены в области фокусов двух эллипсоидов вращения и оптически сопряжены. Поэтому все лучи выходного пучка передающего световода 2 попадают на сердцевину световода 4 и поступают на фотоприемник 5. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5()Ю G 01 F 23/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1,„,.,;,. -.:. « (. :«О . Е;-«А

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ф

I»

Ъ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4273701/24-10 (22) 01.07.87 (46) 15.12.90. Бюл. М 46 (72) В.А.Свирид, С.Н.Хотяинцев, Л.К.Яровой, B.Ï.Àëåêñååâ, А.И,Вагин, B.M,Âàòóòèí и Е.Н.Холдобаев (53) 681.128.65 (0)8.8) (56) Патент Японии

М 62-17173, кл. G 01 F 23/28, 16.04.87.

Авторское свидетельство СССР

hh 1150488, кл. 6 01 F 23/22, 19&3. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

ЖИДКИХ СРЕД (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровней жидких сред. Целью изобретения является увеличение светоси„„5U„, 1613871 А1 лы датчика и снижение расхода световодов при изготовлении датчика. Излучение источника 1 вводится в световод 2 и направляется к чувствительному элементу 3, Пучок лучей, выходящих с торца передающего световода, отражается эллиптической поверхностью чувствительного элемента 3, формирует в области фокуса эллйпсоида изображение торца световода 2 и далее попадает на торец приемного световода 4.

Форма поверхности чувствительного элемента 3 выбрана так, что поверхности тор цов световодов расположены в области фокусов двух эллипсоидов вращения и оптически сопряжены. Поэтому все лучи выходного пучка передающего световода 2 ф попадают на сердцевину световода 4 и по. ступают на фотоприемник 5. 3 ил. ! !

1613871 ствительного элемента. Чувствительный 40 элемент 3 выполнен из прозрачного матери45

55,/ г г 4

Изобретение относится к измерительной технике, предназначается для измерения уровня жидких сред, в том числе криогенных и взрывоопасных, путем использования в составе дискретных уровнемеров и может найти применение в химической и пищевой промышленности, в теплоэнергетике, в криогенной технике.

Цель изобретения — увеличение светосилы датчика и снижение расхода световодов при изготовлении датчика.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого датчика; на фиг. 2 — ход лучей в чувствительном элементе, на фиг. 3 — схема устройства. осуществляющего способ сварки волоконно-оптических датчиков.

Волоконно-оптический датчик жидких сред содержит (фиг. 1) источник 1 излучения, например, полупроводниковый излучающий диод, оптически связанный с передающим световодом 2. Один источник может быть связан с несколькими передающими световодами при помощи волоконнооптического ответвителя. Передающий световод 2 оптически связан с приемным световодом 4 при помощи чувствительного элемента 3. Кон цы передающего 2 и и риемного 4 световодов, непосредственно примыкающие к чувствительному элементу 3, расположены параллельно один другому на расстоянии 1 d, где d — диаметр световода, Сверху значение I принципиально не ограничено, но увеличение 1 ведет к увеличению габаритов чувствительного элемента.

Оптимальное значение I = 3d. В этом случае при малых габаритах (б 0,1 мм) достаточно хорошо выполняются приближения геометрической оптики, принятые при расчете чувала. Зто может быть материал, из которого выполнены световоды 2 и 4. Поверхность чувствительного элемента 3, обращенная в сторону контролируемой среды, удалена не более чем на 2 7, оси а от поверхности двух эллипсоидов вращения, имеющих общий фокус F2, расположенный на оси датчика (фиг. 2) и удаленный от плоскости торцов световодов 2 и 4 на расстояние h: (стрелка датчика) 0,31 h 31, а второй фокус каждого эллипсоида совпадает с центром торца соответствующего световода 2 и 4, причем большая ось а и эксцентриситет я определяются из соотношений: а = h + i/2, (1) 5

Соотношения (1) и (2) выводятся из условия согласования апертур передающего 2 и приемного 4 световодов. В этом случае,как видно из фиг. 2, осевой луч движется по прямоугольной траектории. Тогда в соответствии с известными свойствами эллипса можно записать: . а = F>L+ LF2= h+1/2, F! F2

Е= — i а (F)F2) =(Е1 Г2) =1 /4+ h . (3)

Отсюда и следует соотношение (2), Нижняя граница для интервала h: hogg = 0,31 определяется условием, при котором для стандартного световода поверхность эллипсоида уже не пересекает все лучи всетоводов. Верхний предел h»« = 3I выбран исходя из требований, чтобы крайние лучи выходного пучка передающего световода 2 падали только на левую поверхность чувствительного элемента 3, Оптимальное значение hen составляет hp = 0,91. Свободный конец приемного световода 4 — с фотоприемником.

Датчик работает следующим образом.

Излучение источника 1 вводится в световод 2 и направляется к чувствительному элементу 3. Пучок лучей, выходящих с торца передающего световода, отражается левой эллиптической поверхностью чувствительного элемента 3 и формирует в области фокуса F2 изображение торца световода 2.

Распространяясь далее, пучок лучей отражается правой поверхностью чувствительного элемента 3 и попадает на торец приемного световода 4.

Форма поверхности чувствительного элемента 3 выбрана так, что поверхности торцов световодов, расположенные в области фокусов F1 и F2, оптически сопряжены, Поэтому практически все лучи выходного пучка передающего световода 2 попадают в сердцевину световода 4 и поступают на фотоприемник 5.

Уровень принятого оптического сигнала зависит от условий отражения на передней поверхности чувствительного элемента.

При погружении чувствительного элемента в жидкость условия отражения изменяются, большая часть излучения выходит в среду, уровень принятого фотоприемником опти- ческого сигнала падает, что и свидетельствует об изменении уровня жидкой среды относительно элемента 3 датчика.

Формула изобретения

Волоконно-оптический датчик жидких сред, содержащий два световода, торцы ко1613871 расположенной на расстоянии h от торцо- вой плоскости световодов, при этом расстояние1, расстояние между осями световодов ! и эксцентриситет е эллипсоидов задаются соотношениями а = h+1/2, торых на одном из концов лежат в одной плоскости и оптически связаны чувствительным элементом, выполненным иэ прозрачного материала, отличающийся тем, что, с целью увеличения светосилы датчика, поверхность чувствительного элемен- 5 та, ограниченная апертурами световодов, выполнена в виде двух пересекающихся симметрично расположенных относительно оси датчика эллипсоидов вращения, первые фокусы которых совпадают с центрами тор- 10 цов световодов, а вторые совпадают с точкой, лежащей на оси симметрии датчика, 1 3б, 0,31 h 31, где а — длина большой оси эллипсоидов;

d — внешний диаметр световода.

I!

Составитель А. Мараховская

Техред М. Моргентал Корректор О.Кравцова

Редактор С.Лисина

Заказ 3886 Тираж 543 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-ÇS, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101