FR2538545A1 - Device for measuring the level of a liquid in a tank - Google Patents
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Abstract
Description
"DISOSITW DE MESURE DLJ NIVEAU D'UN MOUIDE DS UN RESERVOIR"
L'invention concerne eSsentiellement un dispositif de mesure du niveau d'un liquide contenu dans un réservoir et surmonté d'une atmosphère gazeuse, ce dispositif utilisant la propagation de rayons lumineux dans une fibre optique et la réflexion totale desdits rayons sur une extrémité taillée dans ladite fibre Le réservoir peut être à la pression atmosphérique, le liquide qu'il contient étant alors normalement sous cet état physique à ladite pression, ou être au contraire sous pression et contenir un gaz liquéfié."DISJITW OF DLJ MEASUREMENT LEVEL OF A WET DS A TANK"
The invention relates essentially to a device for measuring the level of a liquid contained in a reservoir and surmounted by a gaseous atmosphere, this device using the propagation of light rays in an optical fiber and the total reflection of said rays on one end cut in said fiber The reservoir may be at atmospheric pressure, the liquid which it contains then being normally in this physical state at said pressure, or on the contrary be under pressure and contain a liquefied gas.
Cn connaît des moyens pour la mesure du niveau du liquide dans un réservoir basse ou moyenne pression qui utilisent soit la pression différentielle entre le haut et le bas du réservoir, soit, lorsque le réservoir est suffisamment petit, un barreau généralement compensé par un ressort qui plonge dans le liquide et qui est plus ou moins soulevé par la poussée d'lichimède. Ces deux techniques sont coûteuses et la mesure du niveau, bien que continue, manque de précision. There are known means for measuring the level of the liquid in a low or medium pressure tank which use either the differential pressure between the top and the bottom of the tank, or, when the tank is sufficiently small, a bar generally compensated by a spring which plunges into the liquid and is more or less raised by the lichimedes push. These two techniques are expensive and the level measurement, although continuous, lacks precision.
On sait par ailleurs que llon peut tailler l'extrémité d'une fibre optique de façon que les rayons lumineux qui la parcourent puissent subir une réflexion totale à ladite extrémité. Cette réflexion a lieu si les indices deråfrantiQrndu matériau de la fibre et du milieu dans lequel elle est plongée sont suffisamment différents l'un de l'autre, dans le cas contraire les rayons se propagent directement de la fibre dans -le milieu ambiant, c'est-à-dire sans réflexion.La mesure du niveau d'un liquide au moyen d'une fibre optique choisie de façon que son indice soit voisin de celui du liquide, comme il serait logique de le penser, se heurte cependant à des difficultés sérieuses dues au manque de eontraste lumineux observé selon que la réflexion totale s'est produite ou non. We also know that llon can cut the end of an optical fiber so that the light rays passing through it can undergo total reflection at said end. This reflection takes place if the indices deråfrantiQrndu material of the fiber and the medium in which it is immersed are sufficiently different from each other, otherwise the rays propagate directly from the fiber in the ambient medium, c However, the measurement of the level of a liquid by means of an optical fiber chosen so that its index is close to that of the liquid, as it would be logical to think, however comes up against serious difficulties due to the lack of light contrast observed depending on whether total reflection has occurred or not.
L'expérience et le calcul ont montré que pour obtenir un contraste suffisant, il convient d'une part que ll-indice de réfraction de la fibre soit choisi de façon à se trouver à 11 intérieur d'une gamme de valeurs déterminées dont les limites sont fonction de l'indice de l'atmosphère gazeuse qui surmonte le liquide dans le-réservoir et de l'indice du liquide lui-même et, d'antre part, que 11 ouverture de la fibre se trouve également dans une gamme de valeurs qui est fonction des indices précités. L'expérience et le calcul ont permis également de préciser qu'il existe des valeurs optimales pour l'in dice de la fibre et pour son ouverture numérique. Experience and calculation have shown that, in order to obtain sufficient contrast, it is firstly necessary for the refractive index of the fiber to be chosen so as to lie within a range of determined values whose limits are a function of the index of the gaseous atmosphere which overcomes the liquid in the reservoir and of the index of the liquid itself and, on the other hand, that the opening of the fiber is also within a range of values which is a function of the aforementioned indices. Experience and calculation have also made it possible to specify that there are optimal values for the index of the fiber and for its numerical aperture.
la présente invention a pour but de pallier les inconvénients des appareils actuellement connus et propose, à cet effet, en s' ap- puyant sur les enseignements qui précèdent, un dispositif qui comporte plusieurs fibres optiques de longeurs différentes, faites en un matériau ayant un indice de réfraction n1 tel que n2 # n1 # n3
sin 45 sin 45 (1) avec n2 : indice de réfraction de l'atmosphère gazeuse, n : indice de réfraction du liquide, et ayant une ouverture numérique sin 9 égale à la demi-différence entre deux valeurs de l'intervalle défini par la relation (t), lesdites fibres ayant llune de leurs extrémités polie et plane par laquelle pénètrent les rayons lumineux, lesquels rencontrent leur extrémité taillée pour être éventuellement renvoyés vers l'extrémité polie, lesdites fibres ayant ladite extrémité polie à l'e térieur du récipient et ladite extrémité taillée à l'intérieur dudit récipient.Il résulte de ce choix de l'indice et de l'ouverture que les extrémités polies planes des fibres, qui sont illuminées ou non selon qu'elles reçoivent ou non des rayons lumineux réfléchis, présentent un contraste suffisant pour permettre une mesure précise du niveau du liquide. l'emploi de plusieurs fibres de longueurs différentes est également un facteur de précision de la mesure, cette précision étant fonction du nombre des fibres ; cet emploi permet,de plus, de suivre éventuellement les variations de niveau du liquide.the present invention aims to overcome the drawbacks of the currently known devices and proposes, for this purpose, based on the foregoing teachings, a device which comprises several optical fibers of different lengths, made of a material having a refractive index n1 such as n2 # n1 # n3
sin 45 sin 45 (1) with n2: refractive index of the gaseous atmosphere, n: refractive index of the liquid, and having a numerical opening sin 9 equal to the half-difference between two values of the interval defined by the relation (t), said fibers having one of their polished and planar ends through which the light rays penetrate, which meet their cut end to be optionally returned towards the polished end, said fibers having said polished end outside the container and said end cut inside said container. It follows from this choice of the index and the opening that the planar polished ends of the fibers, which are illuminated or not depending on whether or not they receive reflected light rays, have sufficient contrast to allow precise measurement of the liquid level. the use of several fibers of different lengths is also a factor in the accuracy of the measurement, this accuracy being a function of the number of fibers; this use also makes it possible, if necessary, to monitor variations in the level of the liquid.
Selon une autre caractéristique de l'invention, n1 est voisin de la valeur moyenne entre les valeurs extrêmes de la relation (1), e'est-à-dire entre n2 U2 et n3 5 tandis que llouver- ture numérique sin test voisine de la demi-différence entre les valeurs extrêmes de ladite relation (1), clest-à-dlre entre n2 #2 et n
Ces valeurs de l'indice et de l'ouverture numérique des fibres assurent les meilleures conditions de contraste. According to another characteristic of the invention, n1 is close to the average value between the extreme values of the relation (1), that is to say between n2 U2 and n3 5 while the numerical opening sin test is close to the half difference between the extreme values of said relation (1), ie between n2 # 2 and n
These values of the index and the numerical aperture of the fibers ensure the best contrast conditions.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte un réflecteur des rayons lumineux disposé au-dessus de la ou des extrémités planes et polies précitées. According to yet another characteristic of the invention, the device comprises a reflector of light rays arranged above the above-mentioned flat and polished end (s).
Un tel réflecteur facilite la leeture des extrémités polies des fibres en renvoyant la lumière qu'elles reçoivents éventuellement par réflexion totale vers l'observateur. Such a reflector facilitates the closing of the polished ends of the fibers by returning the light which they possibly receive by total reflection towards the observer.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Other characteristics and advantages of the invention will emerge during the description which follows.
Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif - la figure 1 est une vue en élévation latérale et coupe partielle
d'un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'inven-
tion - la figure 2 est une vue de face selon la flèche F du dispositif
de la figure 1 - la figure 3 est une vue en élévation et coupe partielle d'une
première variante de réalisation de l'invention - la figure 4 est une vue partielle, avec arrachement, d'une seconde
variante de réalisation de l'invention.In the accompanying drawings given solely by way of nonlimiting example - Figure 1 is a side elevational view and partial section
of a device according to a first embodiment of the invention
tion - Figure 2 is a front view along arrow F of the device
of Figure 1 - Figure 3 is an elevational view in partial section of a
first alternative embodiment of the invention - Figure 4 is a partial view, broken away, of a second
variant embodiment of the invention.
En se référant aux figures 1 et 2 des dessins, on voit que le dispositif selon l'invention comporte quatre fibres optiques 1, 2, 3, 4, de longueurs différentes, comportant chacune une extrémité supérieure plane et polie 1a, 2a, 3a, 4a, et une extrémité inférieure lb, 2b, 3b, 4b, également polie et qui présente la forme d'un cône ayant un angle au sommet de 900.Les quatre fibres sont åuxtaposées, -leurs extrémités planes polies la, 2a, 3a, 4a, se trouvant dans un même plan horizontal, de sorte que leurs extrémités inférieures lb, 2b,3b, 4b se trouvent à des niveaux différents, le niveau le plus haut étant celui de l'extrémité lb de la fibre 1, la plus courte, le niveau le plus bas étant celui de ltextrémité 4b de la fibre 4, la plus longue. les quatre fibres 1 à 4 sont fixées, par exemple par collage, sur un même support 5 par exemple en caoutchouc, ce support étant lui-même engagé, de façon étanche, à l'extrémité supérieure d'un carter 6, par exemple en inox, destiné à assurer la protection des fibres. Sur l'extrémité supérieure du carter 6, donc au-dessus des faces polies planes, la, 2a, 3a, 4a des fibres, est placé un prisme 7. Ce prisme.7 comporte trois faces planes, 7a, 7b, 7c, ces deux dernières formant entre elles un angle 900. le prisme 7 est disposé de façon que sa face b se trouve dans le plan des extrémités polies planes 1a, 2a, 3a, 4a des fibres, sa face 7c se trouvant donc dans un plan vertical lorsque lesdites fibres sont disposées verticalement. les fibres et le prisme sont faits en un matériau transparent quelconque, verre ou matière organique.Chaque fibre telle que 1 est composée d'un verre (ou d'une matière organique) de coeur 1' d'indice n1 et d'un verre (ou matière organique) de gainage 1 d'indice n4, ces indices étant tels que nî > n4 de sorte que la lumière se propage par réflexions successives dans la partie de coeur 1'. la matière organique peut être un acrylate de méthyle. Referring to FIGS. 1 and 2 of the drawings, it can be seen that the device according to the invention comprises four optical fibers 1, 2, 3, 4, of different lengths, each comprising a planar and polished upper end 1a, 2a, 3a, 4a, and a lower end 1b, 2b, 3b, 4b, also polished and which has the shape of a cone having an apex angle of 900. The four fibers are åuxtaposed, their polished flat ends 1a, 2a, 3a, 4a, lying in the same horizontal plane, so that their lower ends 1b, 2b, 3b, 4b are at different levels, the highest level being that of the end 1b of the fiber 1, the shortest , the lowest level being that of the end 4b of the fiber 4, the longest. the four fibers 1 to 4 are fixed, for example by gluing, on the same support 5 for example made of rubber, this support itself being engaged, in a sealed manner, at the upper end of a casing 6, for example in stainless steel, intended to protect fibers. On the upper end of the casing 6, therefore above the flat polished faces, the, 2a, 3a, 4a of the fibers, is placed a prism 7. This prism. 7 has three flat faces, 7a, 7b, 7c, these last two forming an angle 900 between them. the prism 7 is arranged so that its face b is in the plane of the polished plane ends 1a, 2a, 3a, 4a of the fibers, its face 7c therefore being in a vertical plane when said fibers are arranged vertically. the fibers and the prism are made of any transparent material, glass or organic material. Each fiber such as 1 is composed of a glass (or an organic material) with a core 1 'of index n1 and a glass (or organic matter) of cladding 1 of index n4, these indices being such that nî> n4 so that the light propagates by successive reflections in the part of core 1 '. the organic material can be a methyl acrylate.
Supposant le dispositif monté sur un récipient R contenant un liquide I d'indice n3 et une atmosphère d'indice n2; nl, n2 et n3 satisfaisant à l'équation (1) et les fibres ayant une ouverture numérique satisfaisante énoncée ci-dessus, les extrémités supérieures la, 2a, 3a, 4a des fibres étant à l'extérieur du récipient et les extrémités inférieures lb, 2b, 3b, 4b à l'intérieur et le niveau N du liquide se trouvant entre les extrémités lb et 2b un rayon lumineux r1 rencontrant perpendiculairement la face 7c du prisme 7 est réfléchi d'abord, par réflexion totale, par la face 7a, subit ensuite une seconde réflexion totale à l'extrémité lb de la fibre 1 qui se trouve au-dessus du niveau N du liquide, ré- flexion totale qui le renvoie vers la face 7a du prisme 7 et enfin une nouvelle réflexion totale sur la face 7a, de sorte qu'un observateur dont l'oeil est indiqué en O voit l'extrémité la illuminée. Supposing the device mounted on a container R containing a liquid I of index n3 and an atmosphere of index n2; nl, n2 and n3 satisfying equation (1) and the fibers having a satisfactory numerical opening stated above, the upper ends 1a, 2a, 3a, 4a of the fibers being outside the container and the lower ends 1b , 2b, 3b, 4b inside and the level N of the liquid located between the ends lb and 2b a light ray r1 perpendicularly meeting the face 7c of the prism 7 is reflected first, by total reflection, by the face 7a , then undergoes a second total reflection at the end 1b of the fiber 1 which is above the level N of the liquid, total reflection which returns it towards the face 7a of the prism 7 and finally a new total reflection on the face 7a, so that an observer whose eye is indicated at O sees the end illuminated.
Par contre, un rayon lumineux r2, ayant suivi un chemin identique à celui de r1 ,- mais dans la fibre 2, et rencontrant l'extrémité 2b de cette fibre qui se trouve au-dessous du niveau N, ne subit aucune réflexion totale, il se propage dans le liquide et n'est pas renvoyé vers l'extrémité 2aqui apparaît comme sombre à lobservateur (pour la clarté des dessins, le rayon r1 a été tracé uniquement sur la figure 1 et le rayon r2 uniquement sur la figure 2, de plus ces rayons ont été supposés se propager de façon rectiligne dans le fibres 1 et 2). Il en est bien entendu de même pour les fibres 3 et 4 qui sont, fortiori, immergées dans le liquide.La figure 2 montre l'image qui apparaît à ltobser- de vateur (ltimag21a est seule illuminée), lequel peut conclure que le niveau du liquide dans le réservoir se situe entre ltextrémité 2b de la fibre 2 et l'extrémité lb de la fibre 1.On the other hand, a light ray r2, having followed a path identical to that of r1, - but in the fiber 2, and meeting the end 2b of this fiber which is below the level N, does not undergo any total reflection, it propagates in the liquid and is not returned towards the end 2 which appears dark to the observer (for the clarity of the drawings, the radius r1 has been traced only in FIG. 1 and the radius r2 only in FIG. 2, moreover these rays were supposed to propagate in a rectilinear way in fibers 1 and 2). It is of course the same for fibers 3 and 4 which are, a fortiori, immersed in the liquid. FIG. 2 shows the image which appears to the observer (the ltimag21a is only illuminated), which can conclude that the level liquid in the reservoir is located between the end 2b of the fiber 2 and the end 1b of the fiber 1.
Pans le mode de réalisation représenté à la figure 3, dans laquelle les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes éléments que dans les figures 1 et 2, le prisme a été remplacé par un élément prismatique 8,- comportant, comme le prisme 7, une face Sb plane en contact avec les extrémités supérieures des fibres et une face réfléchissante Sa, mais dont la face Be, au lieu d'être plane, est bombée de façon à constituer un système grossissant qui permet d'augmenter la surface de vision de la fibre. In the embodiment shown in FIG. 3, in which the same reference numerals designate the same elements as in FIGS. 1 and 2, the prism has been replaced by a prismatic element 8, - comprising, like the prism 7, a flat face Sb in contact with the upper ends of the fibers and a reflecting face Sa, but whose face Be, instead of being flat, is curved so as to constitute a magnifying system which makes it possible to increase the viewing surface of the fiber.
Selon la variante de réalisation représentée à la figure 4, un câblemultifibre, désigné par la référence 9, est formé d'un faisceau de fibres élémentaires et souples 10 entourées d'une gaine 11 elle-même souple, ce faisceau de fibres aboutissant à un élément transparent et cônique unique 12 qui assure la réflexion totale des rayons lumineux, lesquels peuvent parcourir l'une des fibres élémentaires avant la réflexion totale puis une autre fibre élémentaire après réflexion totale. Ce mode de réalisation a l'avantage de permettre de dévier ou de reporter à distance la partie supérieure
du dispositif, là où se fait l'observation.Dans le cas où l'élé- ment 12 est plus petit que le cible constitué par les fibres 10 le raccordement peut se faire par l'intermédiaire d'une lentille.According to the variant embodiment shown in FIG. 4, a multi-fiber cable, designated by the reference 9, is formed by a bundle of elementary and flexible fibers 10 surrounded by a sheath 11 which is itself flexible, this bundle of fibers leading to a single transparent and conical element 12 which ensures total reflection of the light rays, which can travel through one of the elementary fibers before total reflection and then another elementary fiber after total reflection. This embodiment has the advantage of allowing the upper part to be deflected or transferred remotely
of the device, where the observation is made. In the case where the element 12 is smaller than the target constituted by the fibers 10, the connection can be made by means of a lens.
il convient de remarquer que, pour le fonctionnement du dispositif soit aussi satisfaisant que possible, il importe, comme il a été indiqué plus haut, de choisir le matériau transparent utilisé pour le coeur des fibres (verre ou matière organique) de telle façon que son indice n1 soit proche de la valeur moyenne entre les deux valeurs extrêmes de la relation (1), et que l'ouverture numérique desdites fibres soit voisine de la demi-différence entre lesdites valeurs extrêmes. il convient, de plus, de remarquer que l'atmosphère gazeuse régnante au-dessus de la plupart des li quides, en particulier de lteau et de l'oxygène, a pratiquement un indice n2 = 1,00. it should be noted that, for the operation of the device to be as satisfactory as possible, it is important, as indicated above, to choose the transparent material used for the core of the fibers (glass or organic material) in such a way that its index n1 is close to the average value between the two extreme values of relation (1), and that the numerical aperture of said fibers is close to the half-difference between said extreme values. it should also be noted that the gaseous atmosphere prevailing over most liquids, in particular water and oxygen, has practically an index n2 = 1.00.
A titre d'exemple
a) pour mesurer un niveau d'eau dont l'indice est n3 = 1,33 dans un réservoirson utilisera, par exemple, des fibres de verre dtun diamètre de 0,2 mm dont le verre de coeur a un indice n1 = 1,64 et une ouverture numérique sin ss = 0,37. For exemple
a) to measure a water level whose index is n3 = 1.33 in a tank, it will use, for example, glass fibers with a diameter of 0.2 mm whose core glass has an index n1 = 1, 64 and a numerical opening sin ss = 0.37.
b) pour mesurer le niveau d'oxygène liquide dont l'in- dice est n3 = 1,22 dans un réservoir, on utilisera des fibres de verre d'un diamètre 0,4 mm dont le verre de coeur a un indice n1 = 1,57 et une ouverture numérique sin 9 = 0,16. b) to measure the level of liquid oxygen, the index of which is n3 = 1.22 in a tank, glass fibers with a diameter of 0.4 mm will be used, the core glass of which has an index n1 = 1.57 and a numerical opening sin 9 = 0.16.
le dispositif selon l'invention offre, par rapport aux dispositifs antérieurement connus, de nombreux avantages
- il donne une indication très fidèle du niveau du liquide en raison de la précision dont est susceptible une mesure optique
- les fibres optiques peuvent être coudées sans perte appréciable de luminosité, de sorte qu'une mesure est possible même à grande distance ;
- la faible conductibilité thermique des fibres permet leur emploi même pour les liquides cryogéniques ;
- l'indication de niveau ne dépend pas de la densité du liquide.compared to previously known devices, the device according to the invention offers numerous advantages
- it gives a very faithful indication of the level of the liquid due to the precision of which an optical measurement is likely
- the optical fibers can be bent without appreciable loss of brightness, so that a measurement is possible even at long distance;
- the low thermal conductivity of the fibers allows them to be used even for cryogenic liquids;
- the level indication does not depend on the density of the liquid.
On pourrait apporter aux modes de réalisation décrits de nombreuses modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention, c'est ainsi, par exemple, que le prisme 7 pourrait être remplacé par un simple miroir, que l'élément cônique 12 pourrait être remplacé par un prisme et que le système grossissant de la figure 3 pourrait être remplacé par une loupe associée à un prisme du type représenté à la figure 1. les fibres optiques pour raîent avoir, au lieu d'un verre de coeur à indice constant, un verre de coeur à indice variable. Enfin, les fibres optiques souples pourraient être coudées en U à leur extrémité inférieure de façon que le cône 12 se présente avec la pointe en haut, ce qui évite qu'une goutte de liquide reste accrochée à tette pointe pour les fibres de faible épaisseur, c'est-à-dire ayant un diamètre inférieur à 1,5 mm. Numerous modifications could be made to the embodiments described without departing from the scope of the invention, it is thus, for example, that the prism 7 could be replaced by a simple mirror, that the conical element 12 could be replaced by a prism and that the magnifying system of FIG. 3 could be replaced by a magnifying glass associated with a prism of the type represented in FIG. 1. the optical fibers may be used, instead of a glass of heart with constant index, a glass of heart with variable index. Finally, the flexible optical fibers could be bent in a U at their lower end so that the cone 12 is presented with the point at the top, which prevents a drop of liquid from being attached to this point for the fibers of small thickness, that is to say having a diameter less than 1.5 mm.
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| FR8221799A Granted FR2538545A1 (en) | 1982-12-27 | 1982-12-27 | Device for measuring the level of a liquid in a tank |
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| FR (1) | FR2538545A1 (en) |
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| Publication number | Publication date |
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| FR2538545B1 (en) | 1985-04-19 |
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