Волоконно-оптические датчики. Измерение уровня жидкости

Было продемонстрировано множество подходов к измерению уровня жидкости при помощи волоконно-оптических датчиков. При одном из подходов волокна используются для передачи света в призму. При соответствующим образом подобранном угле призмы происходит полное внутреннее отражение света, когда призма находится в воздухе. Если призма погружается в жидкость, в жидкости происходит преломление света. Таким образом, это устройство действует как выключатель света, зависящий от уровня жидкости. Подобные датчики серийно выпускаются компаниями ЕоТес и Tedeco. При специально разработанных призмах такой подход обеспечивает высокий уровень отношения сигнал/шум при работе по принципу включено - выключено и нечувствительность к наросту отложений на внешних сторонах призмы [19]. Уровень жидкости измеряется также и непрерывными методами через измерения смещений или перемещений. Датчики, непрерывно измеряющие уровень жидкости,применяются в топливных баках и для обнаружения протечек в нефтехимических резервуарах-хранилищах. При этом используются подходы, при которых кодовая маска между двумя фиксированными массивами волокон смещается при изменении уровня или одно из волокон перемещается при изменении уровня относительно другого или нескольких фиксированных волокон (см. раздел 13.7).

В компании Diamond Power Specialty разработано дистанционное волоконно-оптическое считывающее оборудование, специально предназначенное для наблюдения за уровнем воды в корпусе котла [20]. Система называется Fiber Viewer 7001. В считывающей части системы используются кабели с отдельными оптическими волокнами, по каждому из которых передается красное или зеленое излучение от отдельных портов в датчике уровня в диспетчерскую электростанции, расположенную более чем в 500 футах от корпуса котла (см. рис. 13.1). В диспетчерской волокна подсоединены к устройству отображения в том же самом вертикальном порядке, в каком расположены порты датчика. Локальное устройство отображения предусмотрено и непосредственно около корпуса котла.

Треугольная призма, используемая в датчике уровня воды, устроена так, что, когда она погружена в воду (показатель преломления 1,33), пучки красного и зеленого цвета, проходя через порты, отклоняются по отношению к отверстиям в кодирующей пластине в соответствии с законом преломления Снеллиуса. Для формирования пучков света используются лампа, красный и зеленый цветовые фильтры и коллимирующие линзы (рис. 13.11 и 13.12). При наличии воды зеленый свет проходит через порт датчика и отверстие. При отсутствии воды лучи проходят через воздух или пар (показатель преломления 1,00) и не отклоняются. В результате через отверстие проходит пучок красного света. Свет от каждого из отверстий собирается и вводится в отдельные оптические волокна, которые подсоединены к устройству отображения в диспетчерской (см. рис. 13.12).

Основным преимуществом такого волоконно-оптического средства считывания уровня воды с датчика-водомера является его надежность, обеспеченная пассивностью процесса измерения. Установлены сотни таких датчиков, и многие из них работают больше 9 лет. Системе требуется минимальное техническое обслуживание, и она может использоваться как предохраняющее устройство, первоначально определяющее уровень воды в корпусе энергетического котла, работающего при температуре выше 700° по шкале Фаренгейта и давлении 3200 фунтов на квадратный дюйм. С другой стороны, этот метод изменения уровня применим только для прозрачных жидкостей, таких как вода, и наибольшая проблема, возникающая при его использовании, — это возможность загрязнения поверхностей, проводящих свет, особенно в грязной воде.

Рис. 13.12. Вид сбоку волоконно-оптического считывающего устройства датчика уровня воды, состоящего из пяти портов. Показана схема подсоединения кабелей к устройству отображения в диспетчерской