Волоконо-оптический уровнемер для кислотных электролитов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Серебряков Д.И. , Пивкин А.Г., Мурашкина Т.И. ВОЛОКОНО-ОПТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР ДЛЯ КИСЛОТНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Предложен новый волоконно-оптический уровнемер (ВОУ) для дискретного измерения уровня кислотных электролитов, отличающийся простотой конструктивного исполнения и технологии сборки

В настоящее время существует потребность в определенной номенклатуре датчиков, необходимых для современных разработок в области ракетостроения, авиастроения, военной техники, а также изделий гражданского назначения. К данной категории датчиков предъявляются повышенные требования, в первую очередь, работоспособность в жестких условиях эксплуатации и обеспечение безопасности, значительный ресурс работы, минимальный вес и габариты, надежность, технологичность изготовления, которая в большей степени и определяет структуру цены. В тоже время необходимо стремиться, чтобы разработанные датчики имели двойное назначение. Известно, что в большинстве изделий техники есть устройства, снабжающие электропитанием разнообразные системы, в том числе и системы жизнеобеспечения, входящие в их состав. Проще говоря, это аккумуляторные устройства, большинство из которых использует кислотные электролиты. Поэтому контроль уровня электролита в аккумуляторных устройствах является актуальной задачей, так как при несвоевременном обнаружении критического уровня электролита, возможны серьезные последствия от выхода из строя техники до угрозы жизни человека.

Существующие датчики и системы измерения кислотных электролитов, основанные на емкостном, индуктивном и других принципах преобразования, имеют небольшой ресурс службы и значительные габариты. Принцип действия их основан на использовании электрических сигналов и при взаимодействии с электролитом возникают нежелательные химические и физические явления, которые сказываются на выходных сигналах и сроке службы датчика или измерительной системы.

Поэтому поставлена задача создания уровнемера для измерения уровня кислотных электролитов, отвечающего вышеперечисленным требованиям, в котором исключены недостатки существующих средств измерения уровня электролитов.

В работе [1] описана волоконно-оптическая система измерения уровня жидкости, которая частично решает данную задачу. Недостатками данной системы являются невозможность применения в кислотных электролитах, наличие большого количества технологически сложных операций по объединению составляющих в единую систему, наличие изгибов оптических волокон, сложность закрепления на объекте.

Для полного решения поставленной задачи авторами была предложена конструкция волоконнооптического уровнемера (ВОУ) для кислотных электролитов, приведенная на рисунке 1.

Стержни 5 имеют круглое сечение и выполнены с шаровидными сегментами на рабочем торце, обращенными в сторону жидкости, радиусом К, определяемым условием в ^ К ^ 1,5^в, где - диаметр

оболочки оптического волокна из оптически прозрачного материала, например, из кварцевого стекла, для которого выполняется условие Пср < Пж < П1, где Пср, Пж, П1 - показатели преломления окружающей

среды, жидкости и стержней соответственно.

Цилиндрическая часть стержней 5 закрепляется в наконечнике 6 с помощью соединительного состава 14, стойкого в кислотных электролитах с коэффициентом преломления П2, меньшим коэффициента преломления жидкости Пж (П2 < Пж), уровень которой измеряется, при этом шаровой сегмент выступает за пределы части 6 на значение равное К.

Подводящее оптическое волокно (ПОВ) 3 и отводящее оптическое волокно (ООВ) 4 закреплены во

втулке 7 с помощью клея 15, обладающего большой упругостью. Детали 6, 7 закреплены в корпусе 1 с помощью соединительного состава 14, при этом центры торцов ПОВ 3 и ООВ 4 смещены относительно центра торца стержня 5 на значение равное (^в/2...1,5 ^в/2).

Количество стержней 5, деталей 6, 7 соответствует количеству точек съема информации об уровне

электролита.

Длина оптических волокон 3, 4 в каждом из каналов одинаковая и определяется по формуле:

!^ов=1^- (!в+1'к+Ьэ+1р+ п), (3)

1 - корпус; 2 - источник излучения, например, полупроводниковый светодиод (лазер); 5 - оптические стержни; 3, 4 - подводящие и отводящие оптические волокна соответственно; 7, 8, 9 (не пока-

зана) - втулки; 6 - наконечник в виде конуса; 10 - экран; 11 - приемники излучения, например фотодиоды; 12 - крышка, 13 - разъем

Рисунок 1 - Конструкция волоконно-оптического уровнемера для кислотного электролита

где Ь^ов - длина оптического волокна 1-го канала; - длина от верхнего основания уровнемера до торца 1-го канала; Ьв - длина цилиндрической части конической втулки; Ьк - минимальная длина контактов источника (приемника) излучения, до которой можно их обрезать по ГОСТ на данные элементы (выбирается максимальная длина из двух минимальных); Ьэ - длина источника (приемника) излучения (выбирается максимальная длина); Ьр - длина контактов разъема, со стороны проводов; Ьп - длина проводов.

Другие концы ПОВ 3 и ООВ 4 закреплены во втулках 9 и 8 соответственно с помощью клея 15, причем ПОВ 3 объединены и закреплены во втулке 9, а ООВ 4 по одному во втулках 8, количество которых соответствует количеству точек съема информации об уровне жидкости.

Втулки 8 с ООВ 4 и втулка 9 с ПОВ 3 состыковываются с приемниками излучения (ПИ) 11 и источником излучения (ИИ) 2 соответственно посредством термоусадочной трубки 16, которая при обжатии во время воздействия температуры обеспечивает требуемую соосность и надежность соединения. Расстояние между торцами оптических волокон 3, 4 и стержнями 5, источником излучения 2 и приемни-

ками излучения 11 составляет 0....0,1 мм , что упрощает технологию изготовления ВОУ и обеспечивает требуемые выходные сигналы.

Для исключения влияния излучения от ИИ 2 на ПИ 11 в конструкции ВОУ предусмотрен экран 10.

Питание ИИ 2 и съем информации с ПИ 11 осуществляется через разъем 13 с помощью проводов 17. Разъем 13 крепится в крышке 12 с помощью винтов 18. Крышка 12 установлена в корпус 1 и закреплена с помощью клея 15.

Для исключения поломок оптических волокон 2, 3 при воздействии ударов, вибраций полость 19 заполняют герметикам через отверстия 20 в крышке 12.

Для контроля температуры контролируемого электролита в корпусе 1 предусмотрен канал 21, в котором можно разместить датчик температуры.

Предполагается, что по истечении срока службы контролируемого объекта можно снять ВОУ с объекта и разместить на другом объекте, для этого на корпусе 1 предусмотрена резьба 22.

Излучение ИИ 2 направляется по ПОВ 3 к стержням 5. Поток излучения, излучаемый торцом ПОВ 3, падает на входной торец соответствующего стержня 5, преломляется и распространяется по нему путем переотражения от цилиндрической поверхности до шарового сегмента [2] (рисунок 2).

При отсутствии контакта шарового сегмента стержня 5 с электролитом 23 лучи света за счет выполнения условия полного внутреннего отражения отражаются от поверхности стрежня и возвращаются обратно к входному торцу стержня 5, преломляются и выходят из стержня 5, падая на приемный торец ООВ 4 соответствующего стержня 5. По ООВ 4 поток излучения распространяется до соответствующего ПИ 11, где происходит его регистрация.

При контакте шарового сегмента с электролитом 23 происходит нарушение условия полного внутреннего отражения, и большая часть излучения выходит из стержня (см. рисунок 2 точка А), оставшаяся меньшая часть по ООВ 4 распространяется до ПИ 11.

Таким образом, наличию электролита 23 в зоне измерения соответствует высокий уровень напряжения ПИ 11, отсутствию электролита 2 3 - низкий уровень напряжения. Повышение или понижение уровня электролита 23 в емкости 2 4 ведет к последовательному срабатыванию измерительных каналов. Сигналы с приемников излучения 11 в дальнейшем могут передаваться в систему обработки информации, которая может выдавать сигнал в виде последовательного дискретного повышения или понижения напряжения соответственно при повышении и понижении уровня электролита, или обрабатывать индивидуально сигналы с каждого измерительного канала.

Значение контролируемых уровней электролита Ь(Ж)т (см. рисунок 2) можно изменять, путем изменения конструктивного параметра Ь (см. рисунок 1).

Изготовленный и испытанный макетный образец предложенного ВОУ подтвердил технические и конструктивные решения. Выходные сигналы представлены в таблице 1.

б

Рисунок 2 - Схема распространения света в оптическом канале волоконно-оптического уровнемера для кислотных электролитов

Таблица 1

Измери- тельный канал Выходной сигнал, мВ

Наличие электролита в зоне измерения Отсутствие электролита в зоне измерения

Верхнего уровня 95 141

Среднего уровня 55 101

Нижнего уровня 22 44

Таким образом, в предлагаемый ВОУ реализует контроль уровня кислотных электролитов в требуемых точках емкостей, работоспособен в жестких условиях, обладает малыми габаритами и весом, значительным сроком службы, поскольку в качестве передающей среды используется световой поток, по этой же причине является абсолютной искро- /взрыво- /пожаробезопасным, и не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Серебряков Д.И. Волоконно-оптическая система измерения уровня жидкости /Граевский О.С., Му-рашкина Т.И., Макаров Ю.Н., Архипов А.В.// Датчики и системы. - 2009. - №12.

2. Патент №2297602 G 01 F 23/22, 20.04.07. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости

/Серебряков Д.И., Мурашкина Т.И.