Датчик уровня среды

 

Сущность изобретения: датчик содержит источник 1 света, импульсный генератор 2, блок 3 формирования светового потока, светопроэрачный чувствительный элемент 5, фотоприемник 8. электронный блок 9,10. 12 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (юз G 01 F 23/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (54) ДАТЧИК УРОВНЯ СРЕДЫ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4729810/10 . (22) 17,05.89 (46) 07,08.92, Бюл, Ф 29 (71) Научно-исследовательский институт

"Шторм" (72) Ю;А, Чепчи ц (56) Авторское свидетельство СССР

М 1150488, кл, G 01 F 23/22, 1983.

„, ЖÄÄ 1753286 А1 (57) Сущность изобретения: датчик содержит источник 1 света; импульсный генератор 2, блок 3 формирования светового потока; светопрозрачный чувствительный элемент 5, фотоприемник 8, электронный блок 9, 10. 12 ил, 1753286

10

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может использоваться в системах контроля уровня среды, а также для фиксации изменения состава среды, Известны датчики уровня жидкости (или других сред), построенные на различных физических принципах поплавкового типа, емкостного типа, датчики, реагирующие на изменение электропроводности среды, датчики с оптоэлектронным входом, реагирующие на поглощение или рассеяния среды.

Недостатками этих датчиков являются низкая чувствительность и сложность конструкции, Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее .оптический датчик уровня, имеющий оптически последовательно установленные и согласованные источник излучения, передающее оптическое волокно, чувствительный элемент (первичный преобразователь), приемное оптическое волокно и приемник излучения, причем чувствительный элемент, выполненный из светопрозрачного материала, имеет рабочую поверхность в виде двух зеркально симметричных частей,. образованных вращением отрезков логарифмических спиралей BOKpyr оси, лежащей в плоскости волокон и проходящей через центры их торцов, а центры спиралей совмещены с центрами торцов оптических волокон, формулы, по которым рассчитывается тело чувствительного элемента в зависимости QT угла падения светового потока на рабочую поверхность, приведены. . Недостатками прототипа являются сложность конструкции чувствительного элемента и,невозможность измерения уровня различных сред.

Целью изобретения является расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве чувствительного элемента датчика применено светопрозрачное тело, герметично.закрепленное в окне корпуса, ограниченное по крайней мере с одной из сторон, внутренней или внешней, выпуклой криволинейной или многогранной поверхностью, у внутренней поверхности которого установлены источник света и фотоприемник и через которое источник направляет световоФ поток во внешнюю измеряемую среду. Внешняя поверхность светопрозрачного тела, являющаяся границей раздела с измеряемой средой, выполнена так, что при контакте ее с оптически менее плотной из сред световой поток, однократно или многократно отразившись от границы раздела, 20

50 отклоняется в обратном направлении и, покинув светопрозрачное тело, попадает на вход фотоприемника, при контакте с оптически более плотной из сред световой поток, пройдя сквозь прозрачное тело и не отразившись о его внешней поверхности, рассеется в измеряемой среде, не засветив чувствительную поверхность фотоприемника. Достигается это тем, что угол падения светового потока вдоль главной оптической оси на внешнюю поверхность светопрозрачного тела по величине. больше предель- ного угла полного отражения при контакте поверхности с оптически менее плотной из сред, но меньше предельного угла полного отражения при контакте с оптически более плотной из сред. Если оптически более. плотная из сред будет оптически ;:более плотной и для вещества светопрозрачного тела, то угол падения светового потока должен быть больше предельного угла полного отражения для контакта с оптически менее плотной из сред, но меньше 90 . При наличии на внешней поверхности светопрозрачкого тела нескольких последовательных зон отражения светового потока для каждой из зоны должно соблюдаться описанное ограничение угла падения.

Такое устройство чувствительного элемента позволяет объединить источник света, фотоприемник и остальные элементы датчика в общем герметичном корпусе, Для уменьшения засветки внешней измеряемой среды между источником света и внутренней поверхностью светопрозрачного тела на главной оптической оси установлено устройство формирования светового потока в виде параксиального пучка (например, канал малого диаметра со светопоглощающим покрытием внутренней поверхности, диафрагма, линза). Предлагаемый чувствительный элемент отличается высокой эффективностью, изменение фазы среды вызывает изменение величины электрического сигнала фотоприемника в 100-500 раз. (см, акт испытанйй), что пдзволяет существенно упростить устройство датчика (исключается второй фотоприемник с его оптической связью, из электронного блока исключается устройство сравнения, упрощается схема электронного ключа), Уменьшение расхода электроэнергии достигается тем, что источник света (световод) питается от импульсного генератора тока большой скважности.

На фиг, 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства и его функционирование при контакте с оптически менее плотной из сред: на фиг. 2 — функционирование предлагаемого устройства при конl

1753286

7 — усеченный конус; на фиг, 8 и 9 — сегмент цилиндра; на фиг, 10 — линза; на фиг. 11.—. -;10 тела с внешними измеряемыми средами 7, гд. если контакт осуществляется с оптиче- 20

50

Inp.1 < I < Inp.2, такте с оптически более плотной из сред; на фиг. 3 — 5 — призма; на фиг. 6 — конус; на фиг, сфера; на фиг. 12 — дуга прямоугольного (I) или круглого (II) сечения и разрез А — А.

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 света (фиг, 1) в целях повышения экономичности питаемый от импульсного генератора 2 тока большой скважности, через устройство 3 формирования светового потока направляет тонкий луч

4 сквозь светопрозрачное тело 5 чувствительного элемента, герметично установленное в окне корпуса 6, под определенным углом на внешнюю поверхность, которая является границей раздела светопрозрачного ски менее плотной из сред, световой поток отражается в обратном направлении, и покинув светопрозрачное тело, попадает на чувствительную площадку фотоприемника

8, вырабатывающего при этом электрический сигнал, который поступает на вход интегрирующей цепи 9, преобразующей импульсный входной сигнал в выходной уровень постоянного напряжения, управляющий состоянием электронного компаратора 10 с мощным выходом, С выхода комларатора сигнал поступает на внешнее исполнительное устройство, При контакте внешней поверхности светопрозрачного тела с оптически более плотной из сред (фиг. 2) световой поток 4, пройдя сквозь светопрозрачное тело 5 и не отразившись от внешней поверхности, рас.сеется в измеряемой среде, при этом чувствительная площадка фотоприемника 8 останется не засвеченной, электрический сигнал на вход компаратора 10 не поступит на выход его примет другое устойчивое состояние, Для реализации описанного режима работы величина угла падения, образованного главной оптической осью светового потока и перпендикуляром к внешней поверхности светопрозрачного тела; восстановленным в точке падения, имеет следующие ограничения.

Если вещество светопрозрачного тела является оптически более плотным для всех измеряемых сред, то формула имеет вид. где i — угол падения светового потока на внешнюю поверхность светопрозрачного . тела, Inp.1, Inp.2 — предельный угол полного отражения при контакте с оптически менее и более плотной из сред, Если оптическая плотность всех измеряемых сред больше или равна оптической плотности вещества светопрозрачного тела, работа датчика невозможна, так как внешняя поверхность светопрозрачного тела не сможет приобрести зеркальных свойств.

В зависимости от свойств, закладываемых в датчик, угол падения выбирают ближе к одному или другому уровню ограничения, Например, чтобы датчик фиксировал не только появление жидкости, но и тумана, 5 росы угол падения выбирают вблизи что

) описывается формулой пр.1 < I « Inp.2.

Повышая помехоустойчивость датчика к росе, туману, запыленности и чувствитель-, ности только на появление жидкости, формулу видоизменяют

Imp,t « I « Inp.2, что значительно увеличит отражательную способность внешней поверхности свето5 прозрачного тела.

Дополнительно повысить стойкость к запотеванию и запыленности можно. нанесением гидрофобного и антистатического покрытия.

Для повышения устойчивости датчика к засветкам из внешней среды светопрозра:iное тело можно изготовить из вещества, прозрачного только для рабочего участка спектра источника света, или перед фото5 приемником поставить соответствующий светофильтр; Для этой цели между входом фотоприемника и светопрозрачным телбм на главной оптической оси может быть установлено устройство, пропускающее свето0 вой поток только определенного направления, например, канал малого диаметра со светопоглощающим покрытием внутренней поверхности, Геометрическая форма светопрозрач5 ного тела может быть различной и определяться свойствами, которыми должен обладать датчик, и доступностью технологии изготовления, Формула изобретения

Датчик уровня среды, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные источник света, светопрозрачный чувствительный элемент, фотоприемник и электронный блок,.о т л и ч а ю щ и5 и с я тем, что, с целью расширения области применения, в него введен блок формирова. ния светового потока, вход которого оптически связан с источником света, а выход — с чувствительным элементом, выполненным в виде сегмента цилиндра.

1753286

1753286

1< ю Х Х ф ц

Составитель Т. Сергеева

Редактор 0. Головач Техред М.Моргентал Корректор Т. 3зшкович

Заказ 2759 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-Э5, Раушская наб., 4/5

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