[发明专利]光纤液面检测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测液面(liquid level)的中空棱镜。本发明还涉及一种具有本发明的中空棱镜的光纤液面检测器。

背景技术

罐中的液面可通过多种方法来检测，即，以机械的或磁的方式耦接至外部读出器(read-out)的浮子(float)，或操纵超声波/光波的装置或电容式传感器(capacitance based sensor)。每种检测方法都具有其优点和缺点。

低温流体(诸如液态氮、液态氧、液态氢和液态氦)在工业、航空、空间技术和科学研究中有着广泛的应用。在这些应用领域的大多数中，对低温流体在填充或排放大型低温贮罐期间的动态特性的研究以及当这些操作以高流量实施时从数量上对这些流体的可靠监控已成为一个活跃的研究领域。特别地，对大型贮罐低温系统中的低温燃料和氧化剂液面的测量是一项极为重要的作业，特别是当应用领域涉及以协调方式对复杂检测仪表作业进行感测和调节时。

已使用多种液-汽(L-V)界面感测方法来促进这种液面检测。已知的方法依靠电阻、电容、声阻抗或粘性阻尼的不同来感测L-V界面的位置。在这些方法中，只有电容式感测系统得到了极大关注，普遍应用于航空航天工业中。但是，与成本高、响应慢、重量大和潜在的“电火花危险”相关的因素对其可靠性造成了一些问题，尤其是当用来在航空航天工业中检测燃料罐中的液面时。

为了解决与航空航天工业相关的燃料罐中的液面检测所特有的问题，已设计出各种光纤系统。这些系统较常规的液面感测法具有多个优点：例如，这些系统实际上是无电源的，固有地确保了液面感测时无火花，并且不涉及任何移动机械部件。在液态氢和液态氧所特有的爆炸性环境中，这些特征有助于在提高效率和减少维护工作量的情况下实现安全操作。另外，每单位体积的光纤比铜线轻四倍且硬六倍。光纤不产生也不易受EMI，因此消除了屏蔽/绝缘的需要，这使得光纤比其电气对应物轻得多。这种重量减轻在航空航天应用中是非常重要的。由于电信工业中对这些光纤系统的需求增加，因此它们在成本上也变得具有竞争性。另外，由于这些装置通过反射/折射的原理来感测液面，因此它们便于进行极高速的液面检测。

众所周知的光纤系统依靠像安装在两个光纤的端部处的小型全内反射棱镜或球面透镜、或圆锥形的光纤顶端附加物或U形的弯曲光纤这样的装置来进行液面检测。根据应用的不同，所述装置可受到一些限制。例如，在这些装置中，反射光的强度是液面感测的基础，反射光的强度取决于液体的折射率和棱镜所采用的材料的折射率。由于棱镜所采用的材料的折射率随着环境条件而改变，因此所述装置在尤其是用于测量低温液体的液面时需要在每种工作压力和温度下进行单独校准。还经常将这些装置设计成用于在180°的偏移角下工作，从某种意义上来说，这导致感测装置的“体积”相对增大。

这些感测装置的制造涉及将至少三个或更多个表面光学精加工至高表面精度，并保持精确的棱镜角。另外，感测装置相对于光导向装置的位置固定不变，并且不允许任何线性运动或角运动的自由。

US 6801678公开了一种使用基于菲涅尔反射的液面传感器的光纤液面检测器，其中，部分透射光在折射率不同的界面边界处反射回来，并且反射光强度取决于光纤和液体在环境条件下的折射率。

实心棱镜的折射特性不允许光束在未偏移的情况下透射。无论棱镜是处于空气中还是浸没在液体中，出射光束始终偏离入射光束。另外，当浸没在液体中时，这些棱镜的偏移量取决于液体介质的折射率和制造棱镜所采用的材料的折射率。这两个因素使得在基于实心棱镜的光纤液面检测器中每当液面测量时的液体改变或者其工作条件动态地改变时则需要重新校准和重新定位程序。

发明目的

本发明的主要目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜。

本发明的一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其在存在来自光源的光束的情况下呈现出特有的环境相关性折射特性。

本发明的另一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其具有填充有空气或真空的密闭(leak-tight)棱镜(prismatic)中空空间。

本发明的又一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其中，液面检测过程与制造中空棱镜所采用的光学材料的折射率无关。

本发明的再一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其中，存在于中空棱镜的液面感测区中的光学材料的体积减小。

本发明的又一个目的在于提供一种用于检测液面的中空棱镜，其中，像液体的压力和温度这样的环境条件的改变不影响中空棱镜的折射特性。