СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2014

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2014 1 1 R l L Xi 2 4 3 8 8 6 5 4 а б 7 d ов d ов /2 Модернизация волоконно-оптической системы измерения уровня жидкости В статье предложена модернизированная конструкция многоточечного волоконно-оптического уровнемера для измерения прозрачных и непрозрачных жидкостей. Татьяна Мурашкина, Инна Назарова, Кирилл Серебряков, Дмитрий Серебряков, Денис Митин (г. Пенза) При финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ научной школы «Волоконно-оптическое приборостроение» Рис. 1. Конструкция волоконно-оптического сигнализатора уровня жидкости: а – по патенту [1]; б – защищённого от агрессивного воздействия жидкости На многих инженерно-технических объектах ракетно-космической и авиа- ционной техники (РК и АТ) есть необ- ходимость измерения уровня жидкости в ёмкостях большого объёма с погреш- ностью меньшей 0,1 мм, например: в системах налива/слива топлива, учёта нефтепродуктов в условиях воз- действия сильных электромагнитных помех и повышенной искро-, взрыво-, пожароопасности. Волоконно-оптические системы из- мерения уровня жидкости (ВОСИУЖ) характеризуются обеспечением чрез- вычайно высокого уровня безопас- ности при эксплуатации. Отсутст- вие источника электрической мощ- ности в зоне измерения и замена её световой энергией с уровнем не выше 1 мВт гарантирует совершенно безопасную их работу в потенциаль- но искро-, пожаро- и взрывоопасных условиях. В работе [1] предложена ВОСИУЖ для дискретного измерения уров- ня жидкостей, прозрачных для ИК-излучения, в нескольких точ- ках ёмкости, включающая несколь- ко волоконно-оптических сигнали- заторов уровня жидкости (ВОСУЖ, далее – сигнализаторы), количество которых равно количеству точек съё- ма информации (как правило, не пре- вышает 20). Такой сигнализатор (см. рис. 1а) содержит: ● корпус 1, состоящий из конусообраз- ного наконечника 5 и втулки 6 с цилиндрическим сквозным отвер- стием; ● подводящие оптические волокна 2 (ПОВ), состыкованные с источником излучения (на рисунке не показан); ● отводящие оптические волокна 3 (ООВ), состыкованные с приёмником излучения (на рисунке не показан); ● оптический чувствительный эле- мент 4 (ОЧЭ), закреплённый в кону- сообразном наконечнике 5 и втулке 6 с помощью соединительного соста- ва 7 с коэффициентом преломле- ния n 1 меньшим коэффициента пре- ломления жидкости n Ж ( n 1 < n Ж ). ОЧЭ имеет круглое сечение и полу- сферический сегмент радиусом R на рабочем торце, обращённый в сторо- ну жидкости. Параметр R определяется условием: d ОВ ≤ R ≤ 1,5 d ОВ , где d ОВ – диа- метр оптического волокна. ОЧЭ изго- тавливается из оптически прозрачно- го материала, например из кварцевого стекла, для которого должно выпол- няться условие: n СР < n Ж < n 1 , где n СР , n Ж и n 1 – показатели преломления окру- жающей среды, жидкости и стержня соответственно. Полусферический сегмент выступает за пределы кону- сообразного наконечника на значе- ние равное R . Принцип действия ВОСУЖ основан на нарушении условия полного внут- реннего отражения (ПВО) при контак- те сегмента с жидкостью [2]. Такие ВОСУЖ нельзя использовать для измерения уровня непрозрачных жидкостей, например нефти, так как возникает проблема нарушения про- зрачности ОЧЭ: поверхность сегмен- та прозрачного стержня постепенно покрывается плёнкой, препятствующей реализации принципа действия, осно- ванного на нарушении условия ПВО при изменении коэффициентов пре- ломления сред в зоне контакта стерж- ня с жидкостью [2]. Для обеспечения работы с любы- ми типами жидкостей в конструкцию ВОСУЖ введён герметичный упругий элемент, отделяющий ОЧЭ от жидко- сти. Возможны различные варианты его исполнения. Например, упругий элемент может быть выполнен в виде мембраны или сильфона, поверхность глухого торца которого обращена к стержнюОЧЭ и расположена с малым зазором относительно крайней точки стержня (см. рис. 1б). © СТА-ПРЕСС