專利名稱：光纖液面檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測液面(liquid level)的中空棱鏡。本發(fā)明還涉及一種具有本發(fā)明的中空棱鏡的光纖液面檢測器。
背景技術(shù)：
罐中的液面可通過多種方法來檢測，S卩，以機(jī)械的或磁的方式耦接至外部讀出器(read-out)的浮子(float)，或操縱超聲波/光波的裝置或電容式傳感器(capacitancebased sensor)。每種檢測方法都具有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。低溫流體(諸如液態(tài)氮、液態(tài)氧、液態(tài)氫和液態(tài)氦)在工業(yè)、航空、空間技術(shù)和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。在這些應(yīng)用領(lǐng)域的大多數(shù)中，對低溫流體在填充或排放大型低溫貯罐期間的動(dòng)態(tài)特性的研究以及當(dāng)這些操作以高流量實(shí)施時(shí)從數(shù)量上對這些流體的可靠監(jiān)控已成為一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。特別地，對大型貯罐低溫系統(tǒng)中的低溫燃料和氧化劑液面的測量是一項(xiàng)極為重要的作業(yè)，特別是當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域涉及以協(xié)調(diào)方式對復(fù)雜檢測儀表作業(yè)進(jìn)行感測和調(diào)節(jié)時(shí)。已使用多種液-汽(L-V)界面感測方法來促進(jìn)這種液面檢測。已知的方法依靠電阻、電容、聲阻抗或粘性阻尼的不同來感測L-V界面的位置。在這些方法中，只有電容式感測系統(tǒng)得到了極大關(guān)注，普遍應(yīng)用于航空航天工業(yè)中。但是，與成本高、響應(yīng)慢、重量大和潛在的“電火花危險(xiǎn)”相關(guān)的因素對其可靠性造成了一些問題，尤其是當(dāng)用來在航空航天工業(yè)中檢測燃料罐中的液面時(shí)。為了解決與航空航天工業(yè)相關(guān)的燃料罐中的液面檢測所特有的問題，已設(shè)計(jì)出各種光纖系統(tǒng)。這些系統(tǒng)較常規(guī)的液面感測法具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)例如，這些系統(tǒng)實(shí)際上是無電源的，固有地確保了液面感測時(shí)無火花，并且不涉及任何移動(dòng)機(jī)械部件。在液態(tài)氫和液態(tài)氧所特有的爆炸性環(huán)境中，這些特征有助于在提高效率和減少維護(hù)工作量的情況下實(shí)現(xiàn)安全操作。另外，每單位體積的光纖比銅線輕四倍且硬六倍。光纖不產(chǎn)生也不易受EMI，因此消除了屏蔽/絕緣的需要，這使得光纖比其電氣對應(yīng)物輕得多。這種重量減輕在航空航天應(yīng)用中是非常重要的。由于電信工業(yè)中對這些光纖系統(tǒng)的需求增加，因此它們在成本上也變得具有競爭性。另外，由于這些裝置通過反射/折射的原理來感測液面，因此它們便于進(jìn)行極高速的液面檢測。眾所周知的光纖系統(tǒng)依靠像安裝在兩個(gè)光纖的端部處的小型全內(nèi)反射棱鏡或球面透鏡、或圓錐形的光纖頂端附加物或U形的彎曲光纖這樣的裝置來進(jìn)行液面檢測。根據(jù)應(yīng)用的不同，所述裝置可受到一些限制。例如，在這些裝置中，反射光的強(qiáng)度是液面感測的基礎(chǔ)，反射光的強(qiáng)度取決于液體的折射率和棱鏡所采用的材料的折射率。由于棱鏡所采用的材料的折射率隨著環(huán)境條件而改變，因此所述裝置在尤其是用于測量低溫液體的液面時(shí)需要在每種工作壓力和溫度下進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)。還經(jīng)常將這些裝置設(shè)計(jì)成用于在180°的偏移角下工作，從某種意義上來說，這導(dǎo)致感測裝置的“體積”相對增大。這些感測裝置的制造涉及將至少三個(gè)或更多個(gè)表面光學(xué)精加工至高表面精度，并保持精確的棱鏡角。另外，感測裝置相對于光導(dǎo)向裝置的位置固定不變，并且不允許任何線性運(yùn)動(dòng)或角運(yùn)動(dòng)的自由。US 6801678公開了一種使用基于菲涅爾反射的液面?zhèn)鞲衅鞯墓饫w液面檢測器，其中，部分透射光在折射率不同的界面邊界處反射回來，并且反射光強(qiáng)度取決于光纖和液體在環(huán)境條件下的折射率。實(shí)心棱鏡的折射特性不允許光束在未偏移的情況下透射。無論棱鏡是處于空氣中還是浸沒在液體中，出射光束始終偏離入射光束。另外，當(dāng)浸沒在液體中時(shí)，這些棱鏡的偏移量取決于液體介質(zhì)的折射率和制造棱鏡所采用的材料的折射率。這兩個(gè)因素使得在基于實(shí)心棱鏡的光纖液面檢測器中每當(dāng)液面測量時(shí)的液體改變或者其工作條件動(dòng)態(tài)地改變時(shí)則需要重新校準(zhǔn)和重新定位程序。發(fā)明目的本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于檢測液面的中空棱鏡。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種用于檢測液面的中空棱鏡，其在存在來自光源的光束的情況下呈現(xiàn)出特有的環(huán)境相關(guān)性折射特性。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種用于檢測液面的中空棱鏡，其具有填充有空氣或真空的密閉(leak-tight)棱鏡(prismatic)中空空間。本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種用于檢測液面的中空棱鏡，其中，液面檢測過程與制造中空棱鏡所采用的光學(xué)材料的折射率無關(guān)。本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種用于檢測液面的中空棱鏡，其中，存在于中空棱鏡的液面感測區(qū)中的光學(xué)材料的體積減小。本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種用于檢測液面的中空棱鏡，其中，像液體的壓力和溫度這樣的環(huán)境條件的改變不影響中空棱鏡的折射特性。本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種用于檢測液面的中空棱鏡，其中，當(dāng)中空棱鏡沒有浸沒在液體介質(zhì)中時(shí)，出射光束未偏離入射光束的方向。本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種用于檢測液面的中空棱鏡，其中，當(dāng)中空棱鏡浸沒在液體介質(zhì)中時(shí)，出射光束偏離入射光束的方向。本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種用于檢測液面的中空棱鏡，其具有沿三條基準(zhǔn)軸的三個(gè)線性運(yùn)動(dòng)自由度以及繞ζ軸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度。本發(fā)明的一個(gè)目的還在于提供一種用于檢測液面的中空棱鏡，其在液體介質(zhì)中能作為浮子。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種具有本發(fā)明的用于檢測液面的中空棱鏡的光纖液面檢測器。


圖1為本發(fā)明的中空棱鏡的等軸視圖。圖2為本發(fā)明的中空棱鏡的正視圖和橫截面圖。圖3 (a)、圖3 (b)為本發(fā)明的中空棱鏡的方案視圖，圖示了當(dāng)沒有放置在液體介質(zhì)中時(shí)未偏移的光束的出射以及當(dāng)浸沒在液體介質(zhì)中時(shí)偏移的光束的出射。圖3(c)圖示了中空棱鏡沿χ軸、y軸和ζ軸的可能的線性運(yùn)動(dòng)自由度以及繞ζ軸的可能的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度。圖4為圖表的圖形表示，示出了分別針對30°、45°和60°的特定棱鏡角按照液體的折射率而標(biāo)繪的出射光束的偏移。圖5為連同一體式準(zhǔn)直透鏡一起的中空棱鏡的正視圖和橫截面圖。圖6圖示了連同一體式光纖發(fā)射器一起的本發(fā)明的中空透鏡的正視圖和橫截面圖。圖7圖示了連同一體式光纖發(fā)射器和準(zhǔn)直透鏡一起的中空棱鏡的正視圖和橫截面圖。圖8為具有在罐中保持在固定位置處的中空棱鏡的本發(fā)明的光纖液面檢測器的圖解視圖。圖9為連同沒有準(zhǔn)直透鏡的中空棱鏡一起的本發(fā)明的光纖液面檢測器的正視圖和橫截面圖。圖10為連同中空棱鏡和準(zhǔn)直透鏡一起的本發(fā)明的光纖液面檢測器的正視圖和橫截面圖。圖11為封裝在殼體中的本發(fā)明的光纖液面檢測器的整體視圖。圖12圖示了本發(fā)明的六個(gè)光纖液面檢測器的排列。圖13為連接至控制器的本發(fā)明的光纖液面檢測器的框圖。圖14為連接至控制器的本發(fā)明的六個(gè)光纖液面檢測器的排列的框圖。本

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于通過來自光源的光束來檢測液面的中空棱鏡，包括用多個(gè)介質(zhì)件密封的中空件，一個(gè)所述介質(zhì)件相對于其他介質(zhì)件以一傾斜角布置，并且在介質(zhì)件之間形成密閉中空空間。根據(jù)中空棱鏡的光束由此射出的表面分別是處于空氣中還是浸沒在液體中，從中空棱鏡出射的光束保持未偏離進(jìn)入到中空棱鏡中的光束的方向或者經(jīng)歷偏移。本發(fā)明還提供了一種具有本發(fā)明的用于檢測液面的中空棱鏡的光纖液面檢測器。發(fā)明的說明本發(fā)明提供了一種用于檢測液面的具有特有的折射特性的中空棱鏡，使用光源來照亮中空棱鏡。本發(fā)明的中空棱鏡包括中空件，所述中空件的一端與其軸線垂直地切割，而另一端相對于第一端成一很大角度地切割。所述圓柱體的各個(gè)端部，在用一對薄的透明或半透明介質(zhì)件密封以使這些端部對于所測試的液體而言密封時(shí)，在中空圓柱體內(nèi)獲得(trap)棱鏡中空空間。這構(gòu)成了本發(fā)明的中空棱鏡。這種中空棱鏡呈現(xiàn)出這樣的折射特性，即，所述折射特性突出以垂直入射進(jìn)入到中空件中的外部光束的方向與所述光束在沿中空件的軸線通過中空件傳播之后從中空件出射時(shí)的方向之間的特性關(guān)系。根據(jù)中空棱鏡的出射表面分別是處于空氣中還是浸沒在液體中，從中空棱鏡出射的光束保持未偏離入射光束或者經(jīng)歷偏離入射光束。當(dāng)光纖接收器收集從中空棱鏡出射的光束時(shí)，能容易地以高效率和高分辨率來辨別由于所述中空棱鏡附近的“氣態(tài)到液態(tài)”的變化或“液態(tài)到氣態(tài)”的變化所導(dǎo)致的光束方向的變化。本發(fā)明的光纖接收器用作方向?yàn)V波器。由此，本發(fā)明提供了一種當(dāng)保持在液體外部時(shí)具有折射特性的中空棱鏡，以使通過中空棱鏡的一條較短邊進(jìn)入中空棱鏡的光束以“未偏離”中空棱鏡的最長邊的方式出射。換句話說，當(dāng)浸沒在液體中時(shí)，從中空棱鏡出射的光束在其出射方向上經(jīng)歷偏移。偏移量取決于液體的折射率以及棱鏡角，并與制造棱鏡裝置所采用的材料無關(guān)。因此，本發(fā)明的中空棱鏡在液面檢測時(shí)所利用的原理為當(dāng)中空棱鏡的周圍環(huán)境從氣態(tài)變成液態(tài)或從液態(tài)變成氣態(tài)時(shí)，被光源照亮的中空棱鏡的折射特性發(fā)生變化?，F(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。圖中的圖1和圖2圖示了中空棱鏡的等軸視圖、正視圖、以及橫截面圖。所述中空棱鏡包括中空件101，所述中空件作為用于如下所述的中空棱鏡的殼體。中空件101的幾何形狀以具有圓柱形對稱的方式來構(gòu)造。中空件101的終端分別構(gòu)成相對于入射光束由此進(jìn)入中空件101的位置而限定的近端和遠(yuǎn)端。在本發(fā)明中，作為一個(gè)示例性實(shí)施例，中空件101的幾何形狀或構(gòu)造以圓柱形對稱示出。但是，對于中空件101而言，使用其他適當(dāng)?shù)男螤罨驑?gòu)造，諸如多邊形構(gòu)造，也落入本發(fā)明的范圍中。中空件101由與待檢測液面的液體兼容的不透明/透明、金屬或非金屬材料制成。兼容性因素還被認(rèn)為是基于中空件101的所選材料的化學(xué)和機(jī)械強(qiáng)度/對所使用的液體的抵抗性、以及其溫度和壓力條件。中空件101的表面上設(shè)置有平坦表面106，以用于在如下所述的液面感測期間阻止中空件101的移動(dòng)。中空件101的近端設(shè)置有第一平面102，所述第一平面定向成與圓柱形的中空件的幾何軸線“a”垂直。此表面上的開口便于來自光源的光束進(jìn)入中空件101中。中空件101的遠(yuǎn)端也設(shè)置有第二平面103。第二平面103布置成相對于第一平面102以傾斜角“ α，，傾斜。傾斜角“ α，，的值根據(jù)中空棱鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)(諸如特定折射率的液體所需的光束的偏移范圍)來選擇。傾斜角“α ”從廣泛的棱鏡角中選出，并取決于待檢測液面的液體的折射率。因此，傾斜角“α”可設(shè)置成在10° -70°范圍內(nèi)、優(yōu)選地在30° -45°范圍內(nèi)的一個(gè)角。第一介質(zhì)件104布置在中空件101的第一平面102上，并密閉地密封。每當(dāng)在檢測期間中空件101浸沒在液體中時(shí)，該密封裝置防止液體通過第一介質(zhì)件104與第一平面102之間的接合處進(jìn)入到中空件101中。類似地，第二介質(zhì)件105也布置在第二平面103上，并密閉地密封第二平面103。第一介質(zhì)件104和第二介質(zhì)件105的這種布置確保了布置在第二平面103上的第二介質(zhì)件105相對于第一介質(zhì)件104以期望的傾斜角“ α ”而定位。第一介質(zhì)件104和第二介質(zhì)件105為由金剛石、藍(lán)寶石、石英、硅、鍺、無定形熔凝石英、硼硅酸鹽冕、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)或其組合制成的透明或半透明平行板或膜。第一介質(zhì)件104和第二介質(zhì)件105的材料也能從能透射所施加的光束并呈現(xiàn)出介質(zhì)特性的任何材料中選出。第二介質(zhì)件105的厚度根據(jù)液面感測的操作條件下的機(jī)械強(qiáng)度要求來確定，包括液體的工作溫度、壓力以及液體與介質(zhì)件105的反應(yīng)性。第二介質(zhì)件105的厚度能適當(dāng)?shù)馗淖儯⑻幱?00微米(μ)至Imm的范圍內(nèi)。但是，在此應(yīng)理解的是，厚度因素并非一種約束，而是本發(fā)明能采用任何適當(dāng)厚度的介質(zhì)件104和105，并且本發(fā)明的中空棱鏡能在介質(zhì)件的厚度減小的情況下用于液面檢測。在本發(fā)明中，第一介質(zhì)件104和第二介質(zhì)件105的表面被拋光，以使其能透過從中穿過的光束。但是，第一介質(zhì)件104和第二介質(zhì)件105的表面無需為了高表面精度而光學(xué)精加工。介質(zhì)件104和105在分別密封在第一平面102和第二平面103上時(shí)在其間獲得密閉棱鏡中空空間107。如果密封中空空間107在常規(guī)的溫度和壓力下填充有空氣或者抽空以包含真空，則中空棱鏡的特性保持不變。確保當(dāng)中空件101浸沒在液體介質(zhì)113中以進(jìn)行液面檢測時(shí)，液體沒有進(jìn)入到密封中空空間107中。圖3為在中空件101內(nèi)在第一介質(zhì)件104與第二介質(zhì)件105之間獲得的中空空間107的方案視圖。中空棱鏡的第一介質(zhì)件104對應(yīng)于中空棱鏡的較短邊，來自所選光源的入射光束109通過所述較短邊以垂直入射進(jìn)入中空棱鏡。第二介質(zhì)件105對應(yīng)于中空棱鏡的最長邊，其中，出射光束110以入射角“α ”進(jìn)入105。因此，第一介質(zhì)件104和第二介質(zhì)件105的內(nèi)表面連同密封中空空間107 —起特定地對應(yīng)于本發(fā)明的中空棱鏡或棱鏡裝置。在本發(fā)明中，作為一個(gè)示例性實(shí)施例，中空件101的幾何形狀被示出為圓柱形。但是，每當(dāng)中空件101使得將第一介質(zhì)件104定位成其較短邊以允許來自所選光源的入射光束109進(jìn)入并將第二介質(zhì)件105定位成其最長邊以射出對應(yīng)的出射光束110并且第二介質(zhì)件105相對于第一介質(zhì)件104以一傾斜角布置，則可改變中空件101的形狀。在本發(fā)明中，密封中空空間107的尺寸和體積不會(huì)改變工作效率，且因此能根據(jù)中空件101的制造因素而改變。因此，密封中空空間107形成填充有空氣或真空的密閉棱鏡中空空間。如果需要，能將存在于液面感測區(qū)中的光學(xué)材料的體積減小至微升。圖3(a)圖示了本發(fā)明的中空棱鏡的方案視圖，示出了來自光源的光束109的入射。圖3所示的中空棱鏡包括第一介質(zhì)件104和第二介質(zhì)件105，所述第一介質(zhì)件和第二介質(zhì)件分別形成具有密閉密封中空空間107的中空棱鏡的較短邊和最長邊。光纖發(fā)射器108(其是多模光纖)傳遞來自光源的單色入射光束109。50/125微米的多模硅玻璃纖維用于光束的發(fā)射和接收。也能根據(jù)用于液面感測的液體的特定性質(zhì)適當(dāng)?shù)厥褂靡詥文；蚨嗄９ぷ鞯钠渌嫒莸墓饫w元件，諸如聚合物、石英、藍(lán)寶石等。光源可為激光或發(fā)光二極管或可見光至紅外光范圍內(nèi)的任何光源。在本發(fā)明中，使用5mW、633nm波長的激光二極管作為穿過光纖發(fā)射器108的用于中空棱鏡的輸入光源。每當(dāng)通過使用適當(dāng)?shù)耐哥R使從多模光纖出射的光束過度偏離，則對光束進(jìn)行校準(zhǔn)。如圖3所示，芯尺寸為50微米的光纖接收器112與光纖發(fā)射器108同軸地布置。光纖接收器112作為方向?yàn)V波器。在此應(yīng)理解的是，光纖接收器112的芯尺寸可適當(dāng)?shù)馗淖?。在沒有液體113的情況下，每當(dāng)入射光束109通過中空棱鏡同軸地傳播并作為未偏移的光束110出射，則光纖發(fā)射器108和光纖接收器112的同軸定位便于從光纖發(fā)射器108出射的入射光束109被光纖接收器112接收。第二介質(zhì)件105的射出表面10 的臨界點(diǎn)與光纖接收器112的接收表面111的臨界點(diǎn)之間的空間間隔距離“d”根據(jù)中空棱鏡在液面檢測時(shí)所使用的液體的最小折射率來確定?？臻g間隔距離“d”的確定如下所述。如下所述的光檢測器141連接至光纖接收器112和控制器142，所述控制器根據(jù)中空棱鏡分別暴露于氣相或液相中而發(fā)射0N/0FF型信號(hào)。圖3 (b)圖示了浸沒在液體介質(zhì)113中的中空棱鏡的方案視圖，示出了中空棱鏡傳輸來自光源的入射光束109的方式。圖3(b)所示的中空棱鏡包括第一介質(zhì)件104和第二介質(zhì)件105，所述第一介質(zhì)件和第二介質(zhì)件分別形成具有密閉密封中空空間107的中空棱
8鏡的較短邊和最長邊。光纖發(fā)射器108將單色入射光束109傳遞至中空棱鏡。光纖接收器112使得接收表面111的臨界點(diǎn)定位在距離中空棱鏡的射出表面上的臨界點(diǎn)10 的距離“d”處并與光纖發(fā)射器108同軸地設(shè)置。光纖發(fā)射器108和光纖接收器112的同軸定位便于檢測未接收作為偏移的出射光束114從中空棱鏡的點(diǎn)10 射出的光束。如下所述的控制器142連接至光纖接收器112的較遠(yuǎn)端，檢測光檢測器141的輸出狀態(tài)的變化，估計(jì)從中空棱鏡出射的光束是未偏移型還是偏移型114，并對應(yīng)地觸發(fā)顯示器，以表明中空棱鏡是處于空氣中還是處于液面變化的液體中。本發(fā)明的中空棱鏡的折射特性為當(dāng)中空棱鏡保持在液體介質(zhì)外部時(shí)，如圖3(a)所示，通過中空棱鏡的一個(gè)較短邊進(jìn)入中空棱鏡的光束以“未偏離”中空棱鏡的最長邊的方式出射。當(dāng)浸沒在液體中時(shí)，如圖3(b)所示，從中空棱鏡出射的光束在其出射方向上經(jīng)歷偏移。圖3(c)圖示了中空棱鏡沿傳感器的基準(zhǔn)軸或繞傳感器的基準(zhǔn)軸的可能的運(yùn)動(dòng)自由度。中空棱鏡具有繞參考系中的ζ軸的一個(gè)可能的旋轉(zhuǎn)自由度以及沿參考系中的X軸、y軸和ζ軸中的每個(gè)軸的三個(gè)可能的線性位移自由度。這意味著本發(fā)明的中空棱鏡無需在與光纖管道之間的距離固定的情況下剛性地連接至光纖管道并為中空棱鏡的射出表面上的臨界點(diǎn)提供固定的初始關(guān)系。即使允許中空件101作為浮子隨著液面一起移動(dòng)，中空棱鏡的工作也保持不變。為了用這種裝置來測量液面，需要通過便利的機(jī)構(gòu)使浮子停止在任何期望的位置處。因此，中空棱鏡能作為浮子隨著液面一起自由地線性移動(dòng)，并停止在需要測量液面的位置處。所選液體113可為非低溫液體或低溫液體。能用在本發(fā)明中的液體包括具有不同折射率的各種液體，但不限于，即，水、奶、液體推進(jìn)劑、液態(tài)氫、液態(tài)氧、液態(tài)氮、有毒流體、酒精、油、煤油、以及石油產(chǎn)品(折射率從1. 1至1. 7)。當(dāng)中空棱鏡浸沒在液體中時(shí)，光束的偏移量取決于液體介質(zhì)113的折射率，并與制造棱鏡裝置所采用的材料無關(guān)。因此，本發(fā)明的中空棱鏡僅取決于所選液體113的折射率，而不取決于特別是在低溫液體環(huán)境中動(dòng)態(tài)地變化的液體的其他條件，諸如溫度和壓力。換句話說，本發(fā)明的中空棱鏡的折射特性不受溫度和壓力的環(huán)境條件影響。此特性表現(xiàn)出并導(dǎo)致使用中空棱鏡的液面感測的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)，在任何所測試的液體的環(huán)境條件(例如壓力和溫度)在液面檢測期間經(jīng)歷動(dòng)態(tài)地變化時(shí)，光纖接收器112都無需重新定位。圖4為當(dāng)介質(zhì)113的折射率在1-1. 7的范圍內(nèi)時(shí)光束114的角偏移的變化的圖表。相同的圖還圖示了棱鏡角對這種關(guān)系的影響。作為一個(gè)示例性實(shí)施例，下面給出了當(dāng)對應(yīng)的折射率為1. 1、1. 195和1. 33的液態(tài)氫、液態(tài)氮和水分別代表介質(zhì)113時(shí)對預(yù)期的偏移角的估計(jì)。對于α =30°，當(dāng)用本發(fā)明的光纖液面檢測器117(在圖8中示出)檢測液態(tài)氫時(shí)，圖3所示的偏移的光束114經(jīng)歷2. 5°的偏移，而當(dāng)檢測液態(tài)氮和水的液面時(shí)，相同的光束分別以5°和7. 5°的角偏移。如果傾斜角增大，則對應(yīng)的偏移角的量也呈現(xiàn)出對應(yīng)的增大。知道對偏移角的這種估計(jì)將有助于確定射出表面10 的臨界點(diǎn)與光纖液面檢測器117的接收表面111的臨界點(diǎn)之間的空間距離“d”。因此，如下所述，本發(fā)明的光纖液面?zhèn)鞲衅?17能用于在液體的折射率高于通過距離“d”確定的臨界值時(shí)檢測具有可變折射率的不同液面?？臻g間隔距離“d”能設(shè)計(jì)成在折射率為1. 1及以上的所有液體中實(shí)施液面檢測，當(dāng)角α =30°時(shí)，產(chǎn)生低至2. 5°的偏移。例如，對于折射率為1. 1的液態(tài)氫，產(chǎn)生2.5°的偏移(當(dāng)α =30°時(shí))，如果接收表面111的臨界點(diǎn)處的設(shè)計(jì)水平偏移為5mm，則tan (2. 5° )等于 5/d，或者 dX tan O. 5° ) = 5，由此計(jì)算出 “d”(mm)。因此，中空棱鏡在浸沒在液體中時(shí)所帶來的光束偏移量僅完全取決于所測量的所選液體113的折射率和適當(dāng)?shù)睦忡R角。圖5為中空件101的正視圖和橫截面圖。在此實(shí)施例中，介質(zhì)件104被圓柱形幾何形狀的準(zhǔn)直透鏡115代替。中空件101的內(nèi)徑與準(zhǔn)直透鏡115的外徑以緊公差配合。準(zhǔn)直透鏡115同軸地定位在中空件101內(nèi)，以使透鏡的底部平面端與表面102齊平。當(dāng)準(zhǔn)直透鏡的壁與中空件101的內(nèi)表面之間的空間為了密閉而密封時(shí)，在準(zhǔn)直透鏡的頂部平面116與介質(zhì)件105之間獲得密閉棱鏡空間。這構(gòu)成了此實(shí)施例中的中空棱鏡。在此實(shí)施例中，中空棱鏡變成容許從光纖發(fā)射器108出射的光束的偏離的較小改變。圖6圖示了本發(fā)明的中空棱鏡的另一個(gè)實(shí)施例的正視圖和橫截面圖。如圖6所示，中空棱鏡直接與位于中空件101的近端處的光纖發(fā)射器108成一體。光纖發(fā)射器108的自由端終止在金屬箍(ferrule) 108a和金屬帽108b中，所述金屬箍和金屬帽都是圓柱形的。金屬箍108a的外徑與中空件101的內(nèi)徑以緊公差配合。金屬箍108a靠近中空件101的近端同軸地定位并為了密閉狀態(tài)而密封。此發(fā)明中的金屬箍108a由陶瓷材料制成，并且也可將任何其他適當(dāng)?shù)牟牧嫌米鹘饘俟炕蛎?。在此?shí)施例中，光纖發(fā)射器108以其形成第一平面10 的頂部表面代替第一介質(zhì)件104而布置，并作為中空棱鏡的較短邊，并且具有其傾斜角的第二介質(zhì)件105作為中空棱鏡的最長邊，光束從所述最長邊從中空棱鏡出射。換句話說，現(xiàn)在在光纖發(fā)射器10 的頂部平面與介質(zhì)件10 之間獲得中空空間107。在此實(shí)施例中，光纖發(fā)射器108使用單模光纖來制造。這種光纖輸出在距離“d”上基本保持單向性的光束，且因此無需用于有效操作的額外的準(zhǔn)直透鏡。圖7圖示了本發(fā)明的中空棱鏡的又一個(gè)實(shí)施例的正視圖和橫截面圖。在此實(shí)施例中，額外的準(zhǔn)直透鏡115同軸地放入光纖發(fā)射器108的光纖發(fā)射器10 的頂部平面與介質(zhì)件10 之間的中空空間內(nèi)。設(shè)置在陶瓷金屬箍108a中的光纖發(fā)射器108通過中空件101的近端的開口裝配。光纖發(fā)射器108密閉地密封中空件101的近端。同樣作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中，準(zhǔn)直透鏡115布置在光纖發(fā)射器108與介質(zhì)件10 之間，以校準(zhǔn)來自光纖發(fā)射器108的光束。準(zhǔn)直透鏡115的頂部表面116現(xiàn)在代替第一介質(zhì)件104而起作用，并作為中空棱鏡的較短邊，并且介質(zhì)件10 作為中空棱鏡的最長邊，光束從所述最長邊出射。本發(fā)明中所使用的準(zhǔn)直透鏡115是具有固定焦距的圓柱形透鏡或長度為6mm、直徑為2mm且焦距為2mm的梯度折射率透鏡(gradient index lens)。但是，在此應(yīng)考慮到的是，在此提供的準(zhǔn)直透鏡115的規(guī)格是用來表示特性，而非一個(gè)限制性因素。本發(fā)明還提供了一種具有用于在存在光源120的情況下檢測液面的中空棱鏡的光纖液面檢測器，現(xiàn)在將參照圖8-圖14對所述光纖液面檢測器進(jìn)行說明。液面檢測器117包括本發(fā)明的中空棱鏡，并布置在填充有期望的液體113的密封罐或容器118中，所述流體具有如119所示的待檢測液面的水平面。罐118用蓋121密封。連接有光源120，以通過光纖發(fā)射器108傳輸用于液面檢測器117的中空棱鏡的光束。光纖接收器112通過用于檢測是否存在來自光纖接收器112的光束的光檢測器141連接至控制器142。光纖接收器112布置成當(dāng)不存在液體時(shí)接收未偏移的光束而當(dāng)存在液體時(shí)不接收偏移的出射光束。光纖接收器112耦接至光檢測器141，以生成0N/0FF型電壓或電流信號(hào)，從而表明中空棱鏡分別處于氣態(tài)或液態(tài)環(huán)境中并便于在任何液體的填充/排放操作期間進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和控制。還可使用本發(fā)明的液面檢測器來構(gòu)造液面檢測系統(tǒng)，以在所測量的液柱的限制高度上連續(xù)地監(jiān)控液面。圖9為包括支撐件122的液面檢測器117的正視圖和橫截面圖，所述支撐件為桿狀或柱狀結(jié)構(gòu)，以支撐液面檢測器117的其他相關(guān)部件。具有一對開口 1 和127的光纖發(fā)射器支架125通過開口 1 連接至支撐件122。光纖發(fā)射器108以可穿過的方式布置，以穿過光纖發(fā)射器支架125的開口 127，所述開口有效地阻止了光纖發(fā)射器108在χ-y平面中的平移運(yùn)動(dòng)。夾具(fixture) 1 具有一對開口 126a和127a。所述夾具通過開口 126a連接至支撐件122。相同的夾具還通過開口 127a連接至光纖發(fā)射器108。夾具1 有效地阻止了光纖發(fā)射器108沿ζ軸的平移運(yùn)動(dòng)。安裝在支撐件122上的隔離元件1 有助于使夾具1 保持與光纖發(fā)射器支架125平行。夾具131具有一對開口 126b和127b。所述夾具通過開口 126b連接至支撐件122并通過開口 127b連接至中空件101。安裝在支撐件122上的隔離元件130有助于使夾具131保持與夾具1 平行。使用緊固件132將中空件101連同上述連接元件一起穩(wěn)固地連接至支撐件122。中空件101的表面上設(shè)置有平坦部106，以阻止中空件101的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。應(yīng)注意的是，圖9所示的中空件101不包含準(zhǔn)直透鏡115。支撐件122上安裝有具有近端和遠(yuǎn)端的距離調(diào)節(jié)器124。距離調(diào)節(jié)器IM為可變長度的套筒或隔離件。夾具133為光纖接收器支架并具有一對開口 126c和127c。所述夾具通過開口 126c連接至支撐件122。光纖接收器112以可穿過的方式穿過開口 127c連接至夾具133。夾具133還布置成抵靠距離調(diào)節(jié)器124的遠(yuǎn)端。夾具133不僅保持光纖接收器112與光纖發(fā)射器108同軸還防止光纖接收器112經(jīng)歷x-y平面中的任何平移運(yùn)動(dòng)。距離調(diào)節(jié)器IM為布置成使第二介質(zhì)件105的介質(zhì)件10 的臨界點(diǎn)10 與光纖接收器112的接收表面111的臨界點(diǎn)之間的距離“d”固定的間隔件。具有一對開口 126d和127d的夾具135通過開口 126d連接至支撐件122。所述夾具還通過開口 127d連接至光纖接收器112。夾具135用于阻止光纖接收器沿ζ軸的平移運(yùn)動(dòng)。安裝在支撐件122上的隔離件134有助于使夾具133和135保持彼此平行。使用緊固元件123來緊固夾具133和135。光纖接收器112通過光檢測器141連接至控制器142?？刂破?42處理由光檢測器141檢測到的信號(hào)，以估計(jì)在液面檢測期間在光檢測器141處是否存在光束。保持件136通過夾具137連接至支撐件122，以像錨一樣起作用并用于將液面檢測器117懸掛在罐118中。圖10為如圖8所示的液面檢測器117的正視圖和橫截面圖，其中，液面檢測器的中空件101包含準(zhǔn)直透鏡115。在所有其他方面，所述液面檢測器的構(gòu)造與圖9所示的相似。圖11為封裝在殼體138中的液面檢測器117的整體視圖，所述殼體具有用于使液體在液面檢測期間進(jìn)入到殼體138中的開口 139。圖12圖示了六個(gè)光纖液面檢測器的排列，每個(gè)光纖液面檢測器的構(gòu)造與117相同并在不同的空間位置處串行地布置在具有液體113的罐中，以用于檢測罐118中的對應(yīng)的多個(gè)位置處的液面。大量這種光纖液面檢測器117的排列也能布置成用于在罐118的任何區(qū)域處以不同的空間分辨率檢測液面?，F(xiàn)在將參照圖13和圖14對通過使用本發(fā)明的光纖液面檢測器來檢測液面的方法進(jìn)行說明?，F(xiàn)在將對罐118填充有所選液體以及排放所述液體時(shí)的方法進(jìn)行說明。圖13為連接至光檢測器141和控制器142的本發(fā)明的光纖液面檢測器的框圖。為了在用期望的液體填充罐期間檢測罐118中的液面，光纖液面檢測器布置在罐118中的期望位置處，將液體填充到該位置。允許液體進(jìn)入罐118。觸發(fā)光源120，并且允許對應(yīng)的光束109穿過液面檢測器117，只要液體沒有到達(dá)介質(zhì)件10 的臨界點(diǎn)105a，由光纖接收器112收集未偏移的光束。光檢測器141感測來自光纖接收器112的光束，并以電壓或電流的形式將電信號(hào)傳輸至控制器142中的信號(hào)調(diào)節(jié)模塊。能使用響應(yīng)時(shí)間為Imsec或更小的任何基于半導(dǎo)體二極管的光檢測器?？刂破?42為具有信號(hào)調(diào)節(jié)器和輸入/輸出裝置的標(biāo)準(zhǔn)比例積分微分(PID)控制器。PID控制器通過信號(hào)調(diào)節(jié)器讀取來自光檢測器141的輸入信號(hào)的狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯通過輸出裝置觸發(fā)像泵、閥等的最終控制裝置，以調(diào)節(jié)填充/排放的順序。當(dāng)液體到達(dá)介質(zhì)件10 的臨界點(diǎn)10 時(shí)，光束經(jīng)歷偏移并將在光檢測器141處沒有檢測到光的對應(yīng)信號(hào)傳遞給控制器142，從而表明在期望的液面處存在液體。此信號(hào)連接至電壓比較器/閾值檢測器，以確定罐中的液面。隨后，通過控制器142估計(jì)電壓或電流的模擬值，以表明液體113的液面。如圖12和14所示，通過連同耦合器140 —起使用光纖液面檢測器117的排列，此操作還能用于多液面液體填充。本發(fā)明所使用的耦合器是這種類型的耦合器，即，其中，光從一個(gè)光纖被引導(dǎo)并分成“N”個(gè)相等強(qiáng)度的光束，并且每個(gè)光束被引導(dǎo)到“N”個(gè)單獨(dú)的光纖中。光束的總數(shù)“N”與排列中所使用的光纖檢測器的數(shù)量相同。在此發(fā)明中，作為一個(gè)示例性實(shí)施例，使單個(gè)光束分開以生成六個(gè)光束的耦合器用于獨(dú)立地操縱六個(gè)光纖液面檢測器，并且使用使單個(gè)光束分開所需的那么多個(gè)耦合器也落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。每當(dāng)液面下降到本發(fā)明的光纖液面檢測器117的介質(zhì)件10 的臨界點(diǎn)10 以下時(shí)，還以相似的方式確定罐118中的液面的排放。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.對于本發(fā)明的中空棱鏡，液面檢測過程僅取決于液體的折射率，而不取決于在低溫液體環(huán)境中動(dòng)態(tài)地變化的液體的其他條件，諸如溫度和壓力。2.本發(fā)明的中空棱鏡構(gòu)造簡單，工作穩(wěn)定，無需特殊技能便可理解和操作，易于大規(guī)模制造，在工業(yè)上切實(shí)可行，并且無需高精度的光學(xué)表面。3.在任何所測試的液體改變時(shí)都免除對本發(fā)明的光纖液面檢測器的重新校準(zhǔn)。4.本發(fā)明的中空棱鏡能通過減小中空棱鏡的光學(xué)體積而小型化。5.還允許本發(fā)明的中空棱鏡具有χ-y平面中的三個(gè)線性移動(dòng)自由度以及繞ζ軸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度，并且用作浮子并停止在期望的位置處以進(jìn)行液面檢測。6.本發(fā)明的中空棱鏡能在高達(dá)10巴的壓力下和低至液態(tài)氦的溫度下工作。7.本發(fā)明的液面檢測器的中空棱鏡的方位能改變180°。8.本發(fā)明的光纖液面檢測器在填充以及排放操作期間呈現(xiàn)出相同的液面檢測響應(yīng)時(shí)間，并且由于檢測以光速進(jìn)行，因此響應(yīng)非?？?。
12
在不背離本發(fā)明的主旨和范圍的情況下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能對本發(fā)明做出各種改變和修改，以使其適應(yīng)各種用途和條件。就這一點(diǎn)而論，這些改變和修改完全合理地應(yīng)落入以下權(quán)利要求的等同物的整個(gè)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于在存在光束的情況下檢測液面的中空棱鏡，包括中空件(101)，具有適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?；第一平?102)，設(shè)置在所述中空件(101)的近端處，其中，所述第一平面(102)與所述中空件(101)的幾何軸線“a”垂直地設(shè)置；第二平面(103)，設(shè)置在所述中空件(101)的遠(yuǎn)端處且關(guān)于所述第一平面(102)以傾斜角“ α ”設(shè)置；第一介質(zhì)件(104)，密封至所述第一平面(10 ；第二介質(zhì)件(105)，密封至所述第二平面(10 ；密封中空空間(107)，設(shè)置在所述第一介質(zhì)件(104)與所述第二介質(zhì)件(10 之間，其中，入射光束(109)通過所述第一介質(zhì)件(104)進(jìn)入并通過所述第二介質(zhì)件(10 作為出射光束(110)射出，并且其中，當(dāng)所述中空件(101)沒有浸沒在液體介質(zhì)(11 中時(shí)所述出射光束(110)保持未偏移，而當(dāng)所述中空件浸沒在所述液體介質(zhì)(11 中時(shí)所述出射光束經(jīng)歷偏移(114)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空棱鏡，其中，所述中空件(101)是不透明的或透明的、金屬的或非金屬的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空棱鏡，其中，所述幾何形狀為圓柱形或多邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空棱鏡，其中，所述傾斜角“α”在10° -70°的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在30° -45°的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空棱鏡，其中，所述第一介質(zhì)件(104)和所述第二介質(zhì)件(105)是透明的或半透明的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空棱鏡，其中，所述第一介質(zhì)件(104)和所述第二介質(zhì)件(105)是由金剛石、藍(lán)寶石、石英、硅、鍺、無定形熔凝石英、硼硅酸鹽冕、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)或其組合制成的透明平行板或膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空棱鏡，其中，所述第一介質(zhì)件(104)和所述第二介質(zhì)件(105)的表面的光學(xué)精度不高。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空棱鏡，其中，所述密封中空空間(107)的尺寸是可變的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空棱鏡，其中，代替所述第一介質(zhì)件(104)，所述中空件(101)中同軸地設(shè)置有準(zhǔn)直透鏡(115)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空棱鏡，其中，代替所述第一介質(zhì)件(104)，所述中空件(101)中同軸地設(shè)置有光纖發(fā)射器(108)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空棱鏡，其中，代替所述第一介質(zhì)件(104)，所述中空件(101)中同軸地設(shè)置有準(zhǔn)直透鏡(11 和光纖發(fā)射器(108)。
12.—種光纖液面檢測器(117)，包括支撐件(12 ；保持件(136)，連接至所述支撐件(122)；中空棱鏡；距離調(diào)節(jié)器(口4)，安裝在所述支撐件(122)上；光纖接收器(112)，連接至所述距離調(diào)節(jié)器(124)的遠(yuǎn)端且與光纖發(fā)射器(108)同軸地設(shè)置以接收未偏移的光束；殼體(138)，具有用于液體的進(jìn)入的開口(139)；檢測器(141)，連接至所述光纖接收器(112)；以及控制器(142)，連接至所述檢測器(141)，所述中空棱鏡包括中空件(101)，具有適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?；第一平?102)，設(shè)置在所述中空件(101)的近端處，其中，所述第一平面(102)與所述中空件(101)的幾何軸線“a”垂直地設(shè)置；第二平面(103)，設(shè)置在所述中空件(101)的遠(yuǎn)端處且關(guān)于所述第一平面(102)以傾斜角“ α ”設(shè)置；準(zhǔn)直透鏡(115)，同軸地設(shè)置在所述中空件(101)中；所述光纖發(fā)射器(108)，在所述近端處同軸地密封在所述中空件(101)中；介質(zhì)件(10 ),設(shè)置在所述第二平面(103)上且密封；密封中空空間(107)，設(shè)置在所述光纖發(fā)射器(108)與所述介質(zhì)件(105b)之間，并且其中，來自所述光纖發(fā)射器(108)的入射光束(109)通過所述介質(zhì)件(105b)作為出射光束(110)射出，其中，當(dāng)所述中空件(101)沒有浸沒在液體介質(zhì)(11 中時(shí)所述出射光束(110)保持未偏移，而當(dāng)所述中空件浸沒在所述液體介質(zhì)(113)中時(shí)所述出射光束經(jīng)歷偏移(114)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖液面檢測器(117)，其中，所述中空件(101)是不透明的、透明的、金屬的或非金屬的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖液面檢測器(117)，其中，所述中空件(101)的構(gòu)造為圓柱形或多邊形。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖液面檢測器(117)，其中，所述傾斜角“α”在10° -70°的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在30° -45°的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖液面檢測器(117)，其中，所述介質(zhì)件(105b)是透明的或半透明的。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖液面檢測器(117)，其中，所述介質(zhì)件(105b)是由金剛石、藍(lán)寶石、石英、硅、鍺、無定形熔凝石英、硼硅酸鹽冕、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)或其組合制成的平行板或膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖液面檢測器(117)，其中，所述介質(zhì)件(105b)的表面的光學(xué)精度不高。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖液面檢測器(117)，其中，所述密封中空空間(107)的尺寸是可變的。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖液面檢測器(117)，其中，代替所述第一介質(zhì)件(104)，所述準(zhǔn)直透鏡(115)同軸地設(shè)置在所述中空件(101)中。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖液面檢測器(117)，其中，多個(gè)所述光纖液面檢測器(117)串行地連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖液面檢測器(117)，其中，所述中空件(101)作為浮子設(shè)置在所述液體介質(zhì)(11 中。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在存在光纖的情況下檢測液面的中空棱鏡，包括中空件；密封中空件的介質(zhì)件，一個(gè)介質(zhì)件相對于其他介質(zhì)件以一傾斜角布置；以及設(shè)置在所述介質(zhì)件之間的密封中空空間，其中，入射光束以垂直入射通過第一介質(zhì)件進(jìn)入并通過第二介質(zhì)件作為出射光束射出，并且其中，當(dāng)中空件沒有浸沒在液體介質(zhì)中時(shí)出射光束保持未偏移，而當(dāng)中空件浸沒在液體介質(zhì)中時(shí)出射光束經(jīng)歷偏移。本發(fā)明還提供了一種具有用于檢測液面的中空棱鏡的光纖液面檢測器。
文檔編號(hào)G01F23/292GK102597721SQ200980160787
公開日2012年7月18日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者卡米斯瓦拉·拉奧·洛拉, 蘇布拉馬尼亞恩·杜拉伊斯瓦米 申請人:印度科學(xué)學(xué)院, 印度空間研究組織空間部(Isro)