CC BY
109
Серебряков Д.И. , Кривулин Н.П. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛИЗАТОРА УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ
Предложен новый способ определения конструктивных параметров чувствительного элемента, который позволяет добиться более высоких метрологических характеристик сигнализатора.
В работе [1] рассмотрен волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости (ВОСУЖ). Отличительной особенностью его является то, что световод (чувствительный элемент) имеет простую конструкцию, выполнен в виде стержня круглого сечения из оптически прозрачного материала, для которого выполняется условие:
П1 < Пв.ср. < П1, (1)
где По, Пв.ср, П1 - показатели преломления воздуха, жидкости и стержня соответственно, а отношение = 2,5, где ^ - диаметр оболочки оптического волокна (ОВ) , ^ - диаметр сердцевины ОВ.
При изготовлении чувствительного элемента встает вопрос выбора оптимальных размеров конструктивных параметров ЧЭ, а именно длины и радиуса стержня.
Для достижения высоких метрологических характеристик необходимо чтобы конструктивные параметры чувствительного элемента обеспечивали максимальный перепад сигнала и минимальные потери светового потока в зоне измерения, а также попадание лучей от подводящего ОВ в отводящие ОВ при отсутствии контакта стержня с жидкостью.
В работе [2] на основании экспериментальных исследований предложено длину стержня определять с помощью выражения:
\L\ =-
-R cos (90 -а)
2 | sin©,,,nn
tg arcsm І-------
\ n
+1 +
d.
. I sin ©KJ nn tg arcsm І-------
© A
R
(2)
радиус шарового сегмента световода, обращенного в сторону
измеряемых сред:
1,5do < R < 2do, (3)
а - угол отражения от шарового сегмента: arcsin По/Пв.ср < а < arcsin Пв.ср/ni, (4)
а отношение L/R должно отвечать условию:
3,148 < — < 3,24;
R
3,415 < — < 3,6;
R I 5)
3,628 < — < 3,748;
R
3,88 < — < 4,017.
R
На рисунке 1 приведена упрощенная конструкция предлагаемого сигнализатора.
ВОСУЖ содержит последовательно установленные и оптически согласованные источник излучения 1, например полупроводниковый излучающий диод, подводящее 2 (ПОВ) и отводящие 3 оптические волокна (ООВ), ЧЭ 4, корпус 5, состоящий из двух частей 6 и 7, приемник излучения 8, например фотодиод (рисунок 1) . Цилиндрическая часть ЧЭ 4 закреплена в части 6 корпуса 5 с помощью соединительного состава 9 с коэффициентом преломления П2 < Пв.ср, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 6 корпуса 5 на значение большее или равное R, определяемое выражением (3). ПОВ 2 и ООВ 3 собраны в
пучок (сечение А-А на рисунке 2) и закреплены в части 7 корпуса 5 с помощью клея 10, обладающего
большой упругостью. ЧЭ 4 выполнен из оптически прозрачного материала, например кварцевого стекла (стержня), для материала которого выполняется условие (1). Он представляет собой стержень длиной L, определяемой выражением (2) , поверхность которого, обращенная в сторону измеряемой среды, представляет собой шаровой сегмент радиусом R, определяемый выражением (3) . Части 6 и 7 корпуса 5 соединены между собой с помощью сварки 11, при этом центр торца ПОВ 2 должен находится на одной оси с центром торца ЧЭ 4 (рисунок 2). Расстояние между общим торцом ОВ 2, 3 и торцом ЧЭ 4 Xi * 0...0,01
мм (рисунок 1). При расчете параметров R, L не учитывается Xi из-за очень малых значений.
Устройство работает следующим образом.
Излучение источника излучения 1 направляется по ПОВ 2 к ЧЭ 4 (рисунок 1) . Поток излучения,
излучаемый торцом ПОВ 2, падает на торец ЧЭ 4 под апертурным углом ®^А , преломляется и
распространяется по нему под углом
sin ©NAn0
<р = arcsin І -
до шарового сегмента, на который падает под углом а, удовлетворяющим условию (4) (рисунок 2)
А- А
ПВ - подводящее оптическое волокно ССВ - Стзодящзе оптическое волокно
Рисунок 2 - Ход лучей в чувствительном элементе
При отсутствии контакта ЧЭ с жидкостью лучи переотражаются от шарового сегмента под углом а и возвращаются обратно по ЧЭ путем переотражения от цилиндрической поверхности под углом р — 90 — ^ , определяемым из Л АВС, до выходного торца ЧЭ и падают на него под углом ^ — 90 — %, который находят из Л АБ, далее лучи преломляются и выходят из ЧЭ, падая на торцы ООВ.
Определено из Л АОБ х=18 0- а - у, где у = є - шр, где є = 180 - а; т = є / р - количество отражений от шарового сегмента, причем берется только целая часть (т.е. ш = 1, 2, 3... и т.д.). Из
треугольников Л БТО и Л АОБ а = 90 - а - ф; р = 180 - 2а.
Проведенные расчеты по формуле (4) для стержня из кварцевого стекла, материал которого
удовлетворяет условию (1), и жидкостей с коэффициентом преломления п > 1,25 показали, что
максимальный перепад сигнала 0 будет обеспечен, если световой поток переотражается от шарового
сегмента под углом а, равным:
450 <а < 46023/; 4905/ <а < 52010/;
} (6)
52038/ <а< 54045/; 57015/ <а < 520;
Т.е. при отсутствии контакта шарового сегмента с жидкостью при падении луча под углом а на шаровой сегмент происходит полное внутреннее отражение, и луч отражается от шарового сегмента под углом
sin an
ni
sina0 _ --------
no
где аотр - угол отражения от шарового сегмента.
Для углов падения а, приведенных в выражении (6) и отвечающих выражению (4), определено, что sinacTp.>1. Это означает, что преломленный луч отсутствует и падающий луч будет возвращаться обратно в среду, из которой он падает, под углом аотр = а [3].
При контакте шарового сегмента с жидкостью происходит нарушение условия полного внутреннего отражения и часть светового потока выходит из стержня под углом sin anx
ПВ.СР
где Пв.ср.> 1,25 - коэффициент преломления жидкости; авых - угол преломления.
Таким образом, для обеспечения нужного значения угла падения а, удовлетворяющего выражению (4), при котором будет выполняться и нарушаться условие полного внутреннего отражения при отсутствии контакта с жидкостью и при контакте с жидкостью соответственно, рассчитывают конструктивные параметры Ь, Я по формулам (2) и (3), отвечающие условию (5), которые обеспечат максимальный перепад сигнала и минимальные потери светового потока в зоне измерения.
Расчетным путем доказано, что конструктивные параметры Я и Ь, удовлетворяющие условию (5), обеспечивают при отсутствии контакта стержня с жидкостью попадание светового потока от подводящего оптического волокна в отводящие оптические волокна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мурашкина Т.И. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости // Радиотехника. 1995. № 10.
2. Серебряков Д. И., Мурашкина Т. И., Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости, Россия, заявка на изобретение №2005141285, МПК 0 01 Б 23/22, 28.12.2005.
3. Мурашкина Т.И. Теория, расчет проектирование волоконно-оптических измерительных приборов и систем: Учебное пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999.
