Главная | Обратная связь

Амплитудные преобразователи уровня жидкости

Принцип действия бесконтактных ПУЖ, в которых в качестве информативного параметра используется амплитуда сигнала, основан на регистрации фотоприемниками оптического излучения, проходящего через жидкость или отраженного от ее поверхности.

В первом случае излучатель и фотоприемник располагаются по разные стороны резервуара друг против друга (рис. 6.40, а).

а б

Рис. 6.40. Схема бесконтактного амплитудного ПУЖ,
в котором используется прохождение (а) и отражение (б) света:

1 – источник излучения; 2 – поплавок; 3 – фотоприемник;
4 – схема обработки; 5 – контролируемая жидкость.

Уменьшение амплитуды сигнала на фотоприемнике свидетельствует о появлении жидкости на данном уровне. Для слаборассеивающих жидкостей на поверхности располагают поплавок, перекрывающий световой поток от излучателя к фотоприемнику в месте контроля уровня.

В случае работы с непрозрачными или сильно рассеивающими жидкостями диапазон измерения уровня с помощью ПУЖ, принцип действия которых основан на прохождении света через жидкость и непрерывном измерении затухания при возрастании уровня, резко сужается. Недостатком таких ПУЖ является существенная нелинейность функции преобразователя.

Во втором случае (см. рис. 6.40, б) источник и приемник оптического излучения, регистрирующий отраженный сигнал, располагаются над жидкостью. Для непрерывного измерения уровня используются координатно-чувствительные фотоприемники, амплитуда выходного сигнала которых зависит от местоположения пятна на поверхности, определяемого уровнем жидкости. Такие преобразователи могут работать в диапазоне 0 ¸ 300 мм, погрешность ±0,05% от верхнего предела диапазона измерений. Функция преобразователя такого ПУЖ линейна.

При использовании обычного точечного фотоприемника данный метод позволяет производить лишь дискретные измерения уровня. При этом для контроля ряда точек необходимо использовать несколько излучателей и фотоприемников, от размеров которых зависит дискретность измерений. Погрешность преобразователей находится в пределах ±0,025%. Для подвода излучения к зоне излучения и отвода излучения от нее в таких преобразователях иногда используются волоконные световоды (ВС). Примером может служить ПУЖ, представленный на рис. 6.41.

Рис. 6.41. Схема бесконтактного ПУЖ со световодами:
1 – источник излучения; 2 – волоконные световоды;
3 – контролируемая жидкость; 4 – приемник излучения.

Подводящий и отводящий ВС располагаются таким образом, что при появлении жидкости на контролируемом уровне все излучение попадает на приемный ВС, что приводит к появлению сигнала на фотоприемнике. Главным достоинством такого преобразователем является простота и возможность реализации бесконтактного контроля жидкости в труднодоступных местах. При измерении уровней жидкости с низкой отражательной способностью на границе раздела «жидкость – воздушная среда» устанавливается поплавок с зеркальной поверхностью.

Основные преимущества амплитудных ПУЖ без сканирования – отсутствие непосредственного контакта с контролируемой средой, простота конструкции, надежность, а так же возможность применения их для контроля жидкостей, находящихся под высоким давлением (до 10000 кПа) и при высокой температуре (до 1000 ºС).

Поляризационные ПУЖ.Работа таких преобразователей основана на использовании линейно-поляризованного излучения и модуляции положения плоскости поляризации.

На рис. 6.42 дана схема одного из поляризационных ПУЖ.

Рис. 6.42. Схема бесконтактного поляризованного ПУЖ:
1 – источник поляризованного излучения; 2 – модулятор;
3 – полупрозрачное зеркало; 4 – резервуар с контролируемой жидкостью;
5 – анализатор излучения; 6 – фотоприемники; 7 – блок деления;
8 – счетная схема; 9 – формирователь опорного напряжения; 10 – генератор.

Ее основу составляет модулятор линейно-поляризованного оптического излучения, на вход которого подается переменное синусоидальное напряжение с частотой w, вырабатываемое генератором. При этом направлении вектора поляризации, проходящего через модулятор излучения, изменяется по периодическому закону с частотой модуляции. Интенсивность света отраженного от поверхности жидкости, уровень которой контролируется, изменяясь по закону

 

I_мах (t) = I₀ sin [w(t – t)],

I_min (t) = I₀ cos [w(t – t)],

где I₀ – интенсивность света на входе модулятора;

t = (2S₁ + S₂ + L)/c; (S_1, S₂ – расстояние от полупрозрачного зеркала до резервуара и анализатора,

с – скорость света;

L = H – h (H – высота резервуара;

h – уровень жидкости).

Анализатор излучения (например, призма Волластона) выделяет две ортогонально-поляризованные составляющие вектора напряжения электрического поля, регистрируемые фотоприемниками. На выходе блока деления формируется напряжение, пропорциональное отношению электрических сигналов с выходов фотоприемников и независящее от интенсивности света на входе модулятора:

V = V₀ tg [w(t – t)],

где V₀ – постоянный коэффициент.

На выходе счетной схемы формируется напряжение, пропорциональное разности фаз опорного сигнала и сигнала с выхода блока деления, которое и определяет уровень жидкости.

Обладая преимуществом бесконтактных ПУЖ, поляризационные преобразователи, благодаря выделению двух ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля, позволяют устранить амплитудную погрешность, возникающую в результате непостоянства затухания излучения на пути его распространения. Это повышает точность при аналоговом измерении уровня жидкости.

Фазовые ПУЖ.Принцип их действия основан на измерении фазы оптического излучения на частоте модуляции или на частоте излучения.

На рис. 6.43 представлена схема одного из вариантов аналогового фазового ПУЖ.

Рис. 6.43. Схема бесконтактного поляризационного ПУЖ:
1 – объектив; 2 – светоделители; 3 – фотоприемник; 4 – частотомер;
5 – фазовый детектор; 6 – генератор моделирующего сигнала;
7 – квантовый генератор.

Луч света, промодулированный по интенсивности высокочастотным электрическим сигналом, направляется на поверхность жидкости. Отразившись от которой регистрируется фотоприемником. Электрические сигналы с выхода фотоприемника и генератора переменной во времени частоты поступают на фазовый синхродетектор. При изменении частоты модуляции светового потока в момент равенства фаз сигналов, приходящих от фотоприемника и генератора, фазовый синхродетектор выдает сигнал на частотомер для записи мгновенной часты f_min, при которой произошло совпадение фаз. Сброс записанной частоты осуществляется генератором при наибольшей частоте модуляции.

Значение уровня жидкости h = с/2 f_min, где с – скорость света.

Диапазон измерения такого преобразователя определяется его конструктивными особенностями, допустимым диапазоном частот модулируемого источника излучения и перестраиваемого генератора. При кратности перестройки частоты генератора k = 2 расстояние от источника до дна резервуара должно быть в 2 раза больше диапазона измерений. Так, при максимальной частоте модуляции 100МГц диапазон измерения составляет 1,5 м, а минимальное расстояние от излучателя – 3 м.

В ПУЖ, принцип работы которых основан на изменении фазы оптического излучения на частоте излучения (рис. 6.44), излучение лазерного источника разделяется лучерасщепителем на два луча.

Рис. 6.44. Схема бесконтактного фазового ПУЖ:
1 – источник излучения; 2 – фотоприемник; 3 – лучерасщепитель;
4 – поверхность жидкости или отражающий поплавок; 5 – призма; 6 – счетчик.

Один из них падает на поверхность жидкости (или отражательный поплавок), отражается от нее и снова попадает на лучерасщепитель. Образующиеся при этом лучи направляются на дифференциальные фотодиоды. Второй луч, образовавшийся при расщеплении первичного луча лазера, отражается назад трехгранной призмой, жестко укрепленной на лучерасщепителе, и также разделяется на два луча, которые направляются на те же фотодиоды. При этом возникает интерференционная картина. С изменением уровня жидкости или положения поплавка изменяется оптическая длинна одного из лучей. Мерой этого перемещения является число интерференционных полос, которые проходят через фотодиоды. Порог чувствительности данного преобразователя оценивается значением ±0,1 мкм.

Реально достижимая погрешность измерения уровня составляет ±30 мкм. На практике точность измерения уровня в значительной степени также зависит от ряда дестабилизирующих факторов: возмущений поверхности жидкости, смещения начальной точки отсчета в результате колебаний температуры окружающей среды, измерительного преобразователя и жидкости.

Световодные амплитудные ПУЖ.Широкое распространение получили оптоэлектронные преобразователи, в которых ПВО в световоде сохраняется в воздухе и нарушается при контакте его с жидкостью. Сигнализаторы уровня такого типа могут состоять из двух световодов: подводящего излучение к зоне контроля и отводящего излучение от нее. Нижние торцы этих ВС соединены с оптическим телом, например треугольной призмой, контактирующим со средой. Если средой является воздух, то практически весь свет возвращается в приемный световод (рис. 6.45).

Рис. 6.45. Схема световодного сигнализатора
уровня жидкости с нарушением ПВО:
1 – источник излучения; 2 – приемник излучения; 3 – передающий световод;
4 – приемный световод; 5 – призма; 6 – контролируемая жидкость.

При резком увеличении показателя преломления окружающей среды (появление жидкости) свет выходит из призмы в жидкость, и сигнал на выходе фотоприемника падает. Погрешность измерений составляет ±0,2 мм. Такой способ индикации уровня может быть применен только при работе с прозрачными не образующими пленки жидкостями.

В волокнистых световодах излучение распространяется в сердцевине, имеющей больший коэффициент преломления, чем у оболочки. В связи с этим на условия распространения света в ВС, непосредственно контактирующих с жидкостью, показатель преломления жидкости не влияет. Для того чтобы интенсивность света на выходе волоконного световода, используемого в качестве чувствительного элемента при погружении его в жидкость, изменилась, необходимо вывести излучение из сердцевины в оболочку, что достигается крутым изгибом волоконного световода по радиусу примерно 1 ¸ 2 мм. Существуют также устройства, в которых оголяют сердцевину ВС.

Радиус изгиба ВС R_кр, при котором достигается полный вывод излучения из сердцевины в оболочку, рассчитывается по формуле:

 

R_кр = [n_с/(n_c – n₀)]s,

где n_c, n₀ – показатели преломления сердцевины и оболочки ВС, соответственно;

s – толщина переходного слоя от сердцевины к оболочке в случае трапециевидной формы профиля показателя преломления сердцевины.

В случае параболического профиля

R_кр = 0,5r [n_с/(n_c – n₀)],

где r – радиус сердцевины ВС.

Если изогнутый участок ВС не соприкасается с жидкостью, то излучение, вышедшее в месте сгиба в оболочку, возвращается обратно в сердцевину, когда ВС становится прямым (потери не более 30%).

Если соприкосновение с жидкостью (n_ж > n₀) изогнутой части волоконного световода с радиусом изгиба R < R_кр все излучение перейдет из световода в жидкость. При n_ж > n₀ такой эффект достигается при

 

R < {R_кр, R_ж}_мин

где R_ж = (r_вн – r)/ln(n_ж – n₀); r – внешний радиус оболочки ВС.

На выходе ВС фотоприемник в этом случае регистрирует резкое уменьшение интенсивности светового сигнала. Восстановление первоначальной интенсивности указывает на то, что уровень жидкости опустился ниже изогнутого участка волоконного световода.

Преобразователи такого типа позволяют контролировать уровень различных жидкостей (в том числе непрозрачных), показатель преломления которых не менее 1,25 с погрешностью ±0,4 мм.

Использование описанного преобразователя предполагает наличие нескольких волоконных световодов, расположенных на различной высоте, для индикации уровня жидкости в нескольких точках.

Для обеспечения непрерывности контроля уровня волоконный световод может быть выполнен в виде изогнутой конической спирали, радиус кривизны которой плавно изменяется от R_макс до R_мин. При плавном уменьшении радиуса изгиба ВС (рис. 6.46) непрерывно изменяется мощность излучения, распространяющегося по его оболочке. При постепенном увеличении уровня жидкости из-за нарушения условия полного внутреннего отражения все большая часть излучения переходит из оболочки в жидкость. Интенсивность потока излучения на выходе потока ВС уменьшается в соответствии с уровнем погружения витков спирали.

Рис. 6.46. Схема световодного ПУЖ с волоконным
световодом в виде конической спирали:
1 – источник излучения; 2 – изогнутый волоконный световод;
3 – приемник излучения; 4 – контролируемая жидкость.

Для аналоговых измерений уровня в широком диапазоне изменений такой преобразователь не пригоден (диапазон измерений составляет несколько сантиметров).

Роль световодных чувствительных элементов могут играть также пластины, изготовленные из оптического стекла.

Принцип действия преобразователей уровня жидкости с использованием световодных пластин также может быть основан на нарушении ПВО на границе световод – окружающая среда при изменении показателя преломления окружающей среды (воздух или жидкость).

Преобразователи, реализующие данный принцип, содержат световод, контактирующий с жидкостью в резервуаре.

Угол падения светового луча на его торец q должен выбираться в таких пределах, что бы при контакте световода с воздухом условие ПВО в нем выполнялось, а при контакте с жидкостью нарушалось, т.е.

 

arсsin(n_в/n_с) < q < arсsin(n_ж/n_с),

где n_ж, n_в, n_с – показатели преломления жидкости, воздуха, световода, соответственно.

Повышение уровня жидкости приводит к выходу части светового потока из световода, что приводит к уменьшению сигнала на выходе фотоприемника.

Одним из главных недостатков ПУЖ с использованием световых пластин является нелинейная статическая характеристика и малый диапазон аналогового измерения уровня (0 ¸ 6 см). Нелинейность функции преобразователя такого ПУЖ может быть уменьшена нанесением отражающей маски на рабочую поверхность световода до 1 ¸ 2%. При определении профиля наносимой маски необходимо учитывать ее коэффициент отражения.

Погрешность таких уровнемеров существенно зависит не только от нестабильности параметров источника излучения (старение, температурная нестабильность), но и изменение свойств жидкости. Так при изменении температуры жидкости на 100°С коэффициент отражения может увеличиваться или уменьшатся в несколько раз.

Для уменьшения влияния колебаний плотности жидкости на погрешность измерения предлагается уменьшать коэффициент отражения от границы раздела световод-жидкость до очень малой величины (порядка 0,001), для чего необходимо обеспечить малые углы ввода излучения в световод. При этом следует учитывать возможность нарушения ПВО и в воздухе, что, в свою очередь, повлечет ограничения диапазона измерения уровня.

Ярко выраженная нелинейная зависимость тока фотоприемника от уровня жидкости позволяет использовать световодные пластины с нарушением ПВО в них в качестве чувствительных элементов сигнализаторов уровня жидкости. Подвод и отвод светового излучения к таким сигнализаторам может осуществляться с помощью волоконных световодов. Абсолютная чувствительность сигнализатора, способность фиксировать наличие жидкости, составляет 1 мм.

Для создания многопозиционных сигнализаторов может быть использован световод с отражающими кольцами. При прохождении верхней границы жидкости кольца ступенчато меняется освещенность фотодиода, что позволяет по номеру кольца определить значение уровня.

Световодные поляризационные ПУЖ с нарушением ПВО.При прохождении излучения через оптический канал с нарушением ПВО в результате изменения уровня жидкости изменяются амплитуды двух ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля. Это является основой для построения преобразователей уровня жидкости. В качестве чувствительного элемента в преобразователях, реализующих данный принцип, может быть использована плоская стеклянная пластина, контактирующая с жидкостью в резервуаре (рис. 6.47)

Для данного устройства обязательным является наличие поляризатора и анализатора излучения. Анализатор может быть выполнен в виде разделительной призмы (призмы Волластона). При отсутствии жидкости поляризованный луч света, распространяющийся в световоде, испытывает ПВО на всей его длине. Выходящее из световода излучение разделяется призмой на две взаимно перпендикулярные поляризованные волны, которые по двум каналам поступают на фотоприемники, а затем электрические сигналы с них поступают на вход устройства вычисления, выходной сигнал которого соответствует нулевому уровню. С появлением в резервуаре жидкости на некотором участке световода изменяется показатель преломления окружающей среды (воздух или жидкость) и происходит нарушение ПВО. При этом изменяется соотношение амплитуд параллельной Е _вых║ и перпендикулярной Е _вых┴ на границе раздела световод – окружающая среда составляющих вектора напряженности электрического поля, выделяемых анализатором:

Е _вых║ = Е_вхR^N_║r^k_║

Е _вых┴ = Е_вхR^N_┴ r^k_┴,

где N, k – число отражений на участке световода, находящегося в воздухе и жидкости соответственно;

Е_вх – амплитуда входного сигнала;

R_┴, R_║ – коэффициенты отражения от границы световод – воздух для перпендикулярной и параллельной составляющих вектора напряженности электрического поля;

r_║, r_┴ – коэффициент отражения от границы световод – жидкость для двух составляющих вектора напряженности электрического поля.

По соотношению амплитуд Е _вых║ и Е _вых┴ можно судить об уровне жидкости в резервуаре.

Световодные ПУЖ с сохранением ПВО.На сохранении ПВО луча в световоде при контакте его как с воздухом, так и с жидкостью могут быть построены преобразователи, принцип работы которых основан на определении состояния поляризации оптического излучения.

У поляризованной электромагнитной волны оптического диапазона, распространяющейся в прямоугольном световоде, скачкообразно изменяется фаза параллельной и перпендикулярной границе раздела внешняя среда-световод составляющих вектора напряженности электрического поля. Причем размер этого сдвига фаз различен для каждой составляющей и зависит от разности показателей преломления окружающей среды и световода, от угла падения светового луча на границу световода:

d_|| = 2 arctg

d_^ = 2 arctg ,

где d_||, d_^ – сдвиг фаз для перпендикулярной и параллельной составляющих, при однократном отражении от границы раздела световод – окружающая среда;

a – угол между перпендикуляром к границе раздела и направлением падения луча;

n₁ – показатель преломления материала световода;

n₀ – показатель преломления окружающей среды.

Характерным примером световодного ПУЖ с сохранением ПВО в нем является поляризационный преобразователь, схема которого приведена на
рис. 6.48.

Рис. 6.47. Схема световодного поляризационного ПУЖ с нарушением ПВО: 1 – источник излучения; 2 – поляризатор; 3 – световод; 4 – контролируемая жидкость; 5 – разделительная призма; 6 – приемники излучения; 7 – блок вычисления.	Рис. 6.48. Схема светового поляризационного ПУЖ с сохранением ПВО: 1 – источник излучения; 2 – поляризатор; 3 – световод; 4 – контролируемая жидкость; 5 – измеритель параметров Стокса; 6 – блок вычисления.

Если жидкость в резервуаре отсутствует, т.е. на всей длине световода
n₀ = n_возд

Результирующая разность фаз d_S = d_^S - d_||S для многократного полного внутреннего отражения луча от границы световода остается постоянной и ее значение соответствует нулевому начальному уровню. С появлением жидкости и повышением ее уровня на некотором участке световода изменяется показатель преломления окружающей среды (n₀ = n_{жидкости}). При этом изменяется сдвиг фазы каждой из составляющих электрического вектора и соответственно их разность d_S, которая является мерой уровня жидкости в резервуаре. Определение сдвиг фаз каждой составляющей на выходе световода и их разности осуществляется в таком ПУЖ с помощью обработки результатов измерения параметров Стокса поляризованного оптического излучения.

Отсутствие нарушения ПВО в преобразователях такого типа позволяет значительно расширить диапазон измерения уровня (до 1 м), который ограничен степенью деполяризации излучения.

Многофункциональные ОЭП.Использование поляризованного светового потока и разделение его на две взаимоперпендикулярные поляризованные волны позволяет устранить главные источники погрешности преобразователя с нарушением полного внутреннего отражения – нестабильность параметров источника и приемников излучения, изменения в процессе измерений свойств жидкости. Так, например, при реализации блоком вычислений функции результат измерения уровня не зависит от мощности оптического излучения, вводимой в световод, а об уровне жидкости в резервуаре можно судить по соотношению амплитуд. При этом измерение уровня связано с нарушением ПВО при наличии контакта жидкой среды и измерительного элемента, т.е. световой поток при наличии контакта световода и жидкости не возвращается в световод. Этот эффект достигается выбором параметров измерительного элемента (угла падения светового потока на рабочую поверхность или показателя преломления материала, из которого изготовлен измерительный элемент, или того и другого одновременно). Таким образом, коэффициенты отражения R зависят от коэффициента поглощения исследуемой среды (следовательно, и от концентрации). Поэтому возникает вопрос о возможности использования этого же измерительного элемента для контроля технологических параметров, связанных с необходимостью определения концентрации различных веществ. В текстильной промышленности имеется большое количество операций в технологических процессах, где необходимо определять как уровень рабочих сред, так и концентрацию находящихся в нем компонентов одновременно.

Однако, если с помощью этого же измерительного элемента попытаться осуществить измерение концентрации, например, растворенных в жидкой среде веществ, то выбор измерительного элемента должен быть таким, чтобы обеспечить возврат светового потока в световод. Нарушение ПВО в этом случае будет происходить за счет частичного поглощения света исследуемым компонентом на определенной длине волны. Поэтому при использовании одного световода для контроля нескольких технологических параметров мы предлагаем использовать преобразователь с сохранением ПВО.

Данный преобразователь для измерения уровня жидких сред работает на принципе измерения разности фаз параллельной и перпендикулярной составляющих вектора напряженности электрического поля на границе раздела «внешняя среда – световод». Причем размер этого сдвига фаз различен для каждой составляющей и зависит от разности показателей преломления окружающей среды и световода, от угла падения светового луча на границу световода:

δ_║ = 2arctag [ /cos Θ],

δ^ = 2arctag [ sin²Θ – (n₀/n₁)²/cos² Θ],

где δ_║, δ^ – сдвиг фаз соответственно для перпендикулярной и параллельной составляющей при однократном отражении от границы раздела световод – окружающая среда;

Θ – угол между перпендикуляром к границе раздела и направлением падения луча;

n₁ – показатель преломления материала световода;

n₀ – показатель преломления окружающей среды.

Измеренная разность сдвига фаз составляющих электрического поля является мерой уровня жидкости в резервуаре.

Данный преобразователь уровня работает с сохранением ПВО, т.е. световой поток при каждом отражении от границы раздела сред остается в измерительном элементе, а это условие необходимо и для измерения концентрации. Поэтому такой режим работы принципиально обеспечивает возможность контроля ряда технологических параметров (в данном примере речь идет об измерении уровня и концентрации).

В связи с такой возможностью возникает вопрос о том, как вести обработку информации, т.е. содержит ли световой поток на выходе измерительного элемента информацию обо всех контролируемых параметрах, или же необходимы промежуточные операции по расшифровке потока информации. Определение указанных двух технологических параметров возможно либо одновременно, либо поочередно: сначала измеряется концентрация, а затем уровень, или наоборот.

Допустим, сначала происходит определение концентрации. Из выражения для коэффициента отражения следует, что при измерении концентрации его величина зависит как от показателя поглощения а, так и от числа отражений N. Если уровень жидкой рабочей среды не изменяется, т.е. число N остается постоянным, тогда изменение интенсивности светового потока на выходе измерительного элемента пропорционально концентрации. Если же уровень в процессе технологической операции изменяется (на практике так и происходит), то изменяется число отражений светового потока, провзаимодействовавшего с контролируемой жидкой средой. Это означает, что изменилась эффективная толщина, связанная с коэффициентом поглощения. Таким образом, изменение уровня рабочей среды изменяет интенсивность светового потока на выходе измерительного элемента, если даже концентрация компонентов, растворенных в среде, не изменилась. Получается неоднозначность в результатах измерений, если сначала контролировать концентрацию (или же два параметра одновременно), можно, например, получить одно и то же значение при разных концентрациях, если уровни рабочих сред различны. Это объясняется тем, что величина сигнала на выходе измерительного элемента зависит как от показателя поглощения, так и от числа отражений светового потока от границы раздела «световод-жидкая среда». Следовательно, при использовании одного измерительного элемента (преобразователя) нельзя производить измерения двух параметров одновременно, а последовательность измерений определена так: сначала измеряется уровень, а затем концентрация. Измерение уровня дает ответ на вопрос о значении числа отражений светового потока N, который взаимодействует с жидкой средой. При известном же N значение интенсивности светового потока на выходе измерительного элемента экстраполируется только на значение концентрации растворенного в жидкой среде вещества, которую и необходимо определить.

Как уже было сказано, мерой уровня жидкости является измеренная разность сдвига фаз составляющих электрического вектора. Определение сдвига фаз каждой составляющей на выходе световода и их разности осуществляется в таком первичном преобразователе с помощью обработки результатов измерения параметров Стокса поляризованного оптического излучения.

Устройства достаточно сложны, чтобы их можно было использовать при обработке относительно простых и надежных приборов регистрации параметров технологических процессов. Мы предлагаем другой способ получения информации об интересующих нас параметрах при сохранении всех тех положительных качеств, первичных преобразователей.

Итак, для определения концентрации растворенных в среде веществ и уровня жидких сред возможно использование одного преобразователя при условии, что сохраняется полное внутреннее отражение. Информация об уровне присутствует в разности фаз каждой из составляющих электрического вектора. На выходе измерительного элемента в этом случае будет присутствовать эллиптически поляризованный световой поток. Существует несколько принципиальных схем измерения разности фаз. Одна из самых точных требует использования в схеме измерения компенсатора – устройства, которое преобразует сдвиг фаз между необыкновенными и обыкновенными лучами в величину, равную 90°. Тогда с помощью поворота анализатора (поляризатора) добиваются такой эллиптической поляризации на выходе компенсатора, чтобы после взаимодействия с веществом свет стал линейно поляризованным. В этом случае он может быть погашен путем соответствующего поворота анализатора, и на выходе устройства (на фотоприемнике) будет наблюдаться нулевая (или минимальная) интенсивность излучения. Поэтому схема измерения в нашем случае должна быть такова: на измерительный элемент необходимо подать линейно поляризованный свет с такой ориентацией плоскости поляризации, при которой после многократного отражения от рабочих поверхностей измерительного элемента свет стал бы так эллиптически поляризован, чтобы, пройдя компенсатор, он имел бы линейную поляризацию. Следовательно, в этом случае свет, отраженный от рабочих поверхностей измерительного элемента, может быть погашен с помощью поворота анализатора автоматическим сервоприводом, приводящего к минимуму интенсивности светового потока на выходе. И тогда с помощью фотоприемника определяются положения поляризатора (для обеспечения линейной поляризации взаимодействующего светового потока с веществом) и анализатора, приводящие к указанному минимуму интенсивности света на выходе, т.е. к определению уровня жидкой среды.

В качестве элемента, выполняющего функцию компенсатора, мы предлагаем использовать сам измерительный элемент. Это значительно упрощает разрабатываемое устройство не только при построении первичного преобразователя, но и при разработке электронного блока анализа и выдачи информации. Наше предложение заключается в следующем.

Если в качестве измерительного элемента использовать элемент многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО) с переменным углом падения, у которого вход и выход светового потока обеспечивается через полуцилиндрическую призму однократного отражения, то при условии, что световой поток падает на входную поверхность во времени под разными углами, число отражений от рабочих поверхностей элемента МНПВО будет различно. Речь идет о том, чтобы изменять во времени угол падения света на входную поверхность измерительного элемента, изменяя положение либо источника излучения, либо поворачивая вокруг оси, проходящей через центр цилиндрической линзы (элемент однократного отражения на входе элемента МНПВО) сам измерительный элемент. В этом случае число отражений N определяется углом падения светового потока и геометрией измерительного элемента (его длиной и толщиной). Из этого следует, что при каком-то угле падения света на элемент МНПВО с переменным углом падения разность фаз на выходе может быть такой, что при неподвижном анализаторе свет станет линейно поляризованным и при определенной настройке анализатора может быть погашен. Тогда очевидно, что при изменении уровня жидкой среды свет на выходе измерительного элемента может стать линейно поляризованным при другом значении угла падения светового потока. А так как изменение угла падения света на измерительный элемент происходит во времени (временная и пространственная модуляция), то гашение света анализатором происходит в различные временные интервалы.

Это означает, что информация об уровне жидкости в резервуаре преобразована из разности фаз во временную характеристику – временной интервал, который можно определить при соответствующем построении электронной схемы блока электроники автоматической измерительной системы. Определение же уровня среды позволяет перейти к определению концентрации растворенных в среде веществ, так как поправка на изменение уровня уже определена и с помощью определенных электронных средств вносится в схему обработки результатов измерения концентрации.

Оптическая схема устройства, реализующая предложенный метод получения информации, приведена на рис. 6.49.

Рис. 6.49. Оптическая схема устройства
1 – источник света; 2 – поляризатор; 3 – измерительный элемент
с переменным углом падения; 4 – анализатор;
5 – фотоприемник; 6 – исследуемая среда.

Предложено использовать методы спектроскопии внутреннего отражения для построения многофункциональных средств получения информации о технологических процессах. Даны принципиальные решения по контролю уровня и концентрации жидких сред на базе МНПВО, которые могут привести к пересмотру практического построения автоматических средств управления технологическими процессами.