устройство для измерения уровня жидкости в емкости

Формула изобретения

1. Устройство для измерения уровня жидкости в емкости, включающее лазер, элемент фокусировки лазерного луча, выполненный в виде линзы, и фотоприемник для приема отраженного от поверхности жидкости лазерного луча, отличающееся тем, что линза расположена между лазером и поверхностью жидкости, при этом соотношение между фокусным расстоянием F_л линзы и минимальным расстоянием h_min от линзы до поверхности жидкости лежит в пределах F_л/h_min = 0,1 - 0,2.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лазер, фотоприемник и линза герметично отделены от полости емкости посредством плоской диафрагмы из оптического стекла.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что плоскость диафрагмы из оптического стекла ориентирована под углом, не превышающим 90^o, к крайнему со стороны фотоприемника лучу расходящегося после прохождения линзы лазерного пучка.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что диафрагма из оптического стекла снабжена нагревательным элементом.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к приборостроению, в частности к технике бесконтактного измерения уровня с помощью лазера, и может быть использовано, например, для контроля за уровнем топлива в резервуарах, уровнем агрессивной среды в емкостях, применяемых в химической промышленности и т.п.

Известны устройства для контроля уровня жидкости, содержащие импульсный ультразвуковой генератор и приемник ультразвуковых импульсов (патент РФ N 2047109, кл. G 01 F 23/28, 25.06.93).

Недостатком этого устройства является его относительно низкая точность при определении уровня жидкости и необходимость постоянных калибровок устройства.

Известны также устройства для измерения уровня жидкости, содержащие СВЧ-резонатор, СВЧ-генератор и последовательно соединенные фильтр и частотомер (патент РФ N 2041446, кл. G 01 F 23/28, 23.04.92).

Недостатком таких устройств является их зависимость от изменения диэлектрической проницаемости контролируемой среды, что обусловливает систематические погрешности измерений.

Ближайшим аналогом к изобретению является устройство для измерения уровня жидкости в емкости (заявка РФ 94015789 A1, кл. G 01 F 23/22, 10.12.95), содержащее лазер, элемент фокусировки лазерного луча, выполненный в виде линзы, и фотоприемник для приема отраженных от поверхности жидкости лазерных лучей.

Недостатком данного устройства является низкая точность и отсутствие защиты от неблагоприятных воздействий со стороны объекта, расстояние до которого определяется. В случае, например, измерения уровня агрессивной жидкости в емкости ее пары и конденсат приводят к разрушению устройства.

Задачей изобретения является повышение точности измерений при быстром изменении уровня и формы отражающей поверхности, а также защита от вредных воздействий паров и конденсата жидкости.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в устройстве для измерения уровня жидкости в емкости, включающем лазер, фотоприемник для приема отраженных от поверхности жидкости лазерных лучей и элемент фокусировки лазерного луча, выполненный в виде линзы, линза размещена между лазером и поверхностью жидкости, при этом соотношение между фокусным расстоянием линзы F_л и минимальным расстоянием от линзы до поверхности жидкости h_min лежит в пределах F_л/h_min = 0,1 - 0,2; лазер, фотоприемник и линза герметично отделены от полости емкости посредством плоской диафрагмы из оптического стекла; плоскость диафрагмы из оптического стекла ориентирована под углом, не превышающим 90^o, к крайнему со стороны фотоприемника лучу расходящегося после прохождения линзы лазерного пучка; диафрагма из оптического стекла снабжена нагревательным элементом.

Исключение влияния изменений измеряемого уровня жидкости и формы ее отражающей поверхности объясняется тем, что лазерный луч попадает на поверхность жидкости рассеянным пучком; при этом отдельные лучи этого пучка (см. фиг. 2, 3) приходят к поверхности жидкости и отражаются от нее под различными углами; вследствие этого при изменении уровня жидкости и формы ее поверхности в определенных заданных пределах часть лучей рассеянного лазерного пучка всегда попадает на фотоприемник.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг. 1 - общая схема устройства;

на фиг. 2 - схема прохождения лазерных лучей при использовании собирающей линзы;

на фиг. 3 - схема прохождения лазерных лучей при использовании рассеивающей линзы;

на фиг. 4 - плоская диафрагма из оптического стекла, вид сверху.

Устройство включает лазер 1, фотоприемник 2 и линзу 3 для фокусировки луча лазера 1. Линза 3 установлена между лазером 1 и поверхностью 4 жидкости 5, находящейся в емкости 6. В конкретном примере в емкости 6 находится топливо, потребляемое тепловой электростанцией, при температуре 80-85^oC. Линза 3 может быть собирающей, как на фиг. 3. Соотношение между фокусным расстоянием линзы F_л (в обоих случаях) и минимальным расстоянием от линзы до поверхности жидкости лежит в пределах F_л/h_min = 0,1-0,2. Нижний предел этого соотношения (0,1) ограничен степенью рассеяния луча лазера. При F_л/h_min < 0,1 рассеяние будет недопустимо большим, поскольку потребуется слишком большая мощность лазера или сверхвысокая чувствительность фотоприемника, что практически нерационально. При F_л/h_min > 0,2 рассеяние луча лазера недостаточно для компенсации изменений уровня и формы поверхности жидкости в емкости. Лазер 1, фотоприемник 2 и линза 3 герметично отделены от полости емкости 6 посредством плоской диафрагмы 7 из оптического стекла, укрепленной во фланце 8 в верхней части емкости 6.

В конкретном примере использовано бронированное плоскопараллельное стекло. Плоскость диафрагмы 7 ориентирована под углом , не превышающим 90^o, к крайнему со стороны фотоприемника 2 лучу 9 расходящегося после прохождения линзы 3 лазерного пучка; диафрагма 7 снабжена нагревательным элементом 10, выполненным из нихромовой фольги, укрепленной по периметру диафрагмы 7.

Работает устройство следующим образом.

Луч лазера 1 проходит через линзу 3 и превращается в рассеянный пучок, который затем проходит через диафрагму 7 и попадает на поверхность 4 жидкости 5 в емкости 6. Отдельные лучи рассеянного лазерного пучка приходят на поверхность 4 под разными углами и отражаются под соответствующими разными углами от этой поверхности. Благодаря этому при изменении уровня жидкости 5 в емкости 6 и/или формы поверхности 4 часть отдельных лучей рассеянного пучка всегда попадает на фотоприемник 2. Вследствие наклона диафрагмы 7 лучи, отражаемые от ее поверхности, не попадают на фотоприемник 2 и не перекрывают более слабое отражение от поверхности 4 жидкости. Для предотвращения запотевания диафрагмы 7 включается автоматически регулируемый (с точностью до 1 - 1,5^oC) нагревательный элемент 10.