Волоконно-оптические уровнемеры и сигнализаторы уровня

Основой оптоволоконных уровнемеров и сигнализаторов уровня являются волоконные световоды.

Волоконный световод — это тонкое стеклянное волокно цилиндрической формы, по которому происходит передача электромагнитного излучения микронного диапазона волн, соответствующего частотам 10¹⁴— 10¹⁵ Гц. Принцип действия волоконного световода основан на использовании процессов отражения и преломления оптической волны на границе раздела двух сред с различными оптическими свойствами, зависящими от показателя преломления п.

Из курса физики известно, что при падении луча на границу раздела двух сред в общем случае появляются преломленная и отраженная волны. Согласно закону Снеллиуса угол падения ср связан с углами отражения (р₀₁ р и преломления (р_пр соотношениями: (р_п = (р_огр и Hjsinr/), = = H₂sin^_np, причем если И| > «2, то из последнего соотношения следует, что ф_11р > ф» (см. рис. 7.4).

По мере увеличения угла падения со стороны оптически более плотной среды можно достичь состояния, когда преломленный луч будет скользить по границе раздела сред без перехода в оптически менее плотную среду.

Рис. 7.4. Падение световой волны на границу раздела двух сред при П>П2.

Угол падения, при котором наблюдается такой эффект, называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для всех углов падения, которые превышают предельный, будет иметь место только отражение. Это явление называется полным внутренним отражением, оно положено в основу передачи оптического излучения по волоконному световоду.

Принцип использования оптоволоконных датчиков для целей измерения основан на преобразовании измеряемых физических величин в модулированный оптический сигнал с последующим его передачей по оптоволоконной линии связи, расшифровки и исследования. Оптическое излучение, генерируемое лазером, светоизлучающим диодом или иным устройством может модулироваться по амплитуде, фазе, частоте, ширине импульсов и поляризации. При необходимости, модулированные оптические сигналы усиливаются или ослабляются, передаются на расстояние, преобразуются из оптической природы в электрическую, воздействуют на исполнительные и регистрирующие устройства.

Принцип построения волоконно-оптического измерительного преобразователя предопределяет компонентный состав схемы преобразования:

• • оптический излучатель;
• • волоконно-оптический приемо-передающий канал;
• • модулирующие устройства, с помощью которого измеряемые величины воздействуют на параметры оптического излучения;
• • приемник оптического излучения.

Основными источниками света для систем оптического питания оптоволоконных датчиков и систем являются полупроводниковые лазеры и светоизлучающие диоды. Они малогабаритны, обладают высокой надежностью и эффективностью, легко сопрягаются с оптоволоконными световодами.

В оптоволоконных измерительных системах для приема оптических сигналов необходимы оптические детекторы, обладающие малыми обратными токами утечки, малым временем отклика, малым потреблением мощности. В то же время должны иметь высокую чувствительность и надежность. Наиболее распространенным типом оптического детектора являются полупроводниковые фотодиоды.

Положительные качества волоконно-оптических световодов:

• • широкая полоса пропускания, что является следствием высокой частоты передачи;
• • малые размеры;
• • малые потери при передаче сигналов;
• • простота преобразования сигналов и широкие возможности согласования с различными электронными устройствами и аппаратурой
• • отсутствие необходимости в использовании «земляной» шины;
• • практическое отсутствие воздействия электромагнитного поля и взаимного влияния отдельных волоконно-оптических световодов друг на друга;
• • отсутствие диэлектрических связей между передатчиками и приемниками;
• • высокая теплостойкость;
• • возможность использования в коррозирующих средах и в других условиях, где традиционные средства измерения неприменимы;
• • возможность работы в мультимодовом режиме и др.

К недостаткам можно отнести:

• • необходимость в точном согласовании устройств ввода света и световодов;
• • хрупкость ВОС и сложность ремонта магистральных связей;
• • трудности с передачами аналоговых сигналов с высокой точностью из-за нелинейности характеристик ВОС и электрооптических приемопередатчиков.

И, наконец, устойчиво бытует мнение, что нет ни одного физического параметра, не измеряемого с помощью оптоволоконных измерительных систем.

Ниже рассматриваются ряд примеров применения оптоволоконных световодов для измерения и контроля уровня жидких сред.