Безопасное измерение уровня жидкости в условиях потенциальной искро-, взрыво-, пожарной опасности является сложной технической задачей. Особенно остро эта проблема встала в свете событий в Японии, когда для предотвращения более разрушительных последствий аварии на АЭС в городе Фукусима было отключено электричество и соответственно не работал ни один «электрический» датчик. В частности, не было никакой информации об уровне охлаждающей жидкости в реакторе.
На многих инженерно-технических объектах вертолетной и авиационной техники, АЭС, нефтегазодобывающей отрасли есть необходимость измерения уровня жидкости с погрешностью меньшей 0,1 мм, например: уровня топлива в условиях полета, в системах налива/слива топлива, учета нефтепродуктов в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной искро-, взрыво-, пожароопасности.
Существующие датчики и системы измерения уровня топлива, основанные на таких физических принципах как емкостный, индуктивный, поплавковый, ультразвуковой и др., требуют в конструкции изделия дополнительных систем и контуров защиты от случайного проскакивания искры, так как для преобразования измерительной информации используют электрические сигналы. Это, в свою очередь, приводит к увеличению массы авиационной, ракетной и другой техники. В вертолетной индустрии до настоящего времени используются поплавковые уровнемеры, занимающие до 10 % объема топливного бака, не позволяющие с высокой точностью выполнять измерения при наклоне бака относительно линии горизонта, а самое главное: механическая преобразующая система может выйти из строя при механических воздействиях.
Стоит задача создания систем измерения уровня жидкости, в которых исключены недостатки существующих средств измерения уровня жидкости. Создание и внедрение на отечественных инженерно-технических объектах (ИТО) вертолетной и авиационной техники, АЭС, нефтегазодобывающей отрасли и других волоконно-оптических систем измерения уровня жидкостных сред (ВОСИУЖС) позволит решить эту задачу.
Сложность создания таких систем заключается в необходимости обеспечения надежной конструкции, которая в реальных условиях применения должна работать при воздействии температуры в диапазоне от минус 60 до 85 оС, вибраций до 100 g, а также под большим напором при заполнении емкости жидкостью (жидким топливом). Известные конструкции волоконно-оптических средств измерения не могут работать в таких условиях, так как возможна поломка оптических волокон.
Существенным недостатком известных технических решений ВОСИУЖС, построенных на принципе нарушения условия полного внутреннего отражения светового потока, получивших наибольшее распространение, является практическая невозможность измерения текущего уровня жидкостей, и в том числе непрозрачных жидкостей, создающих пленки на поверхности оптических чувствительных элементов.
Новые технологические приемы изготовления ВОСИУЖС позволят обеспечить безопасность, надежность, точность измерения, работоспособность системы в жестких условиях эксплуатации, а также невысокую себестоимость за счет применения новых технологических подходов, современной комплектующей базы, эффективных технических решений.
Проведенная математическая формализация процессов распределения светового потока в оптических трактах волоконно-оптических сигнализаторов (ВОС), дифференциальных волоконно-оптических датчиках гидростатического давления (ВОДГД) аттенюаторного типа, входящих в состав разработанных многоточечных волоконно-оптических уровнемеров (МВОУ), позволила определить условия наиболее эффективного согласования и взаимного расположения элементов оптической системы [1, 2].
При изготовлении ВОС встает вопрос выбора конструктивных параметров оптического чувствительного элемента (ОЧЭ) из оптически прозрачного материала, например, из кварцевого стекла, для которого выполняется условие: n0 < n < n1, где n0 < n < n1 – показатели преломления окружающей среды, жидкости и стержня соответственно: длины L ОЧЭ и радиуса R шарового сегмента ОЧЭ, обеспечивающих максимальный перепад оптического сигнала (в случае контакта с жидкостью и отсутствии контакта), минимальные информативные потери в зоне измерения и попадание лучей от подводящего ОВ в отводящие ОВ при отсутствии контакта ОЧЭ с жидкостью. Определено выражение для определения соотношения L и R :
,
где ?NA – апертурный угол ОВ; dc, do – диаметры сердцевины и оболочки ОВ соответственно; dов ? R ? 1,5 dов, ? – угол отражения от шарового сегмента: arcsin n0/n < ? < arcsin n/n1. Определена функция преобразования оптического канала ВОДГД :
где Ф0 – начальный световой поток на выходе подводящего ОВ; i = 1, ..., n, где n – количество отводящих ОВ; rc, – радиус сердцевины ОВ; RCП=LtgΘNA, где L – расстояние между излучающим торцом подводящих ОВ и плоскостью, в которой расположены приемные торцы отводящих ОВ; QNA – апертурный угол ОВ;
аi = 
,
где Di(I)=
.
Доказано, что вид функции преобразования ВОДГД с дифференциальным аттенюатором определяется следующими параметрами ОВ: rC, dОВ, ΘNA количеством n отводящих ОВ, расстоянием L между подводящими и отводящими ОВ.
Разработана конструкция модернизированного МВОУ жидкостных сред, прозрачных для инфракрасного излучения, отличающаяся наличием нескольких ОЧЭ, смещенных относительно друг друга на требуемый уровень дискретности (рис. 1, а) [3, 4].
а) 
б)
в) 
г)
Рис. 1. а – конструкция, б – технологический процесс изготовления модернизированного МВОУ; в – модернизированный ВОС с герметичным упругим элементом; г – фото модернизированного МВОУ
Для измерения уровня непрозрачных жидкостей, например, нефти, когда возникает проблема нарушения прозрачности ОЧЭ: поверхность сегмента прозрачного стержня постепенно покрывается пленкой, препятствующей реализации принципа действия, основанного на нарушении условия полного внутреннего отражения, предложено ввести в конструкцию ВОС герметичный упругий элемент, отделяющий ОЧЭ от жидкости. Упругий элемент может быть выполнен в виде мембраны или сильфона, поверхность глухого торца которого обращена к стержню ОЧЭ и расположена с малым зазором относительно крайней точки стержня (см. рис. 1, в).
Так как дискретный принцип измерения разработанной ВОСИУЖС не обеспечивает требуемую точность измерения уровня жидкости, то предложено для непрерывного измерения уровня жидкости на нескольких уровнях емкости размещать ВОДГД, например, если емкость имеет высоту 20 м, то ее по высоте можно разделить на 10 участков по 2 м и соответственно на каждом уровне установить ВОДГД, диапазон измерения которого соответствует данному участку. При этом ВОДГД устанавливается на ту же трубу, на которой установлены ВОС (рис. 2).
Рис. 2. К пояснению процедуры калибровки МВОУ
Для повышения точности измерения за счет уменьшения аддитивной составляющей погрешности измерения из-за технологической погрешности установки ВОДГД в емкости, предлагается ВОС с открытым ОЧЭ (см. рис. 1, а) использовать только в процессе калибровки перед началом эксплуатации системы, а для калибровки отдельных участков в процессе эксплуатации применять модернизированные защищенные ОЧЭ (см. рис. 1, в).
Новая ВОСИУЖС позволяет производить измерения уровня жидкости с любым коэффициентом преломления в нескольких требуемых точках емкостей, работоспособна в жестких условиях, обладает абсолютной искро-, взрыво-, пожаробезопасностью и не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.