Detector de nivel de líquido basado en fibra óptica.

Prisma hueco para detectar el nivel de líquido en presencia de un haz óptico,

que comprende: unelemento hueco 101 con una geometría adecuada, una primera superficie plana 102 dispuesta en el extremoproximal de dicho elemento hueco 101, en el que dicha primera superficie plana 102 está dispuesta en direcciónperpendicular al eje geométrico de dicho elemento hueco 101, una segunda superficie plana 103 dispuesta en elextremo distal de dicho elemento hueco 101 y a un ángulo inclinado "α" con respecto a dicha primera superficieplana (102), un primer elemento dieléctrico 104 sellado sobre dicha primera superficie plana 102, un segundoelemento dieléctrico 105 sellado sobre dicha segunda superficie plana 103, un espacio hueco estanco 107 dispuesto entre dichos primer y segundo elemento dieléctrico 104 y 105, en el que un haz óptico incidente 109 penetra a travésde dicho primer elemento dieléctrico 104 y sale como un haz óptico emergente a través de dicho segundo elementodieléctrico 105, y en el que dicho haz emergente se mantiene sin desviación 110 cuando dicho elemento hueco 101no está sumergido en un medio líquido 113 y dicho haz emergente sufre una desviación 114 cuando se sumerge endicho medio líquido 113.

Detector de nivel de líquido basado en fibra óptica.

Campo técnico [0001] La presente invención se refiere a un prisma hueco para detectar el nivel de un líquido. La presente invención también se refiere a un detector de nivel de líquido basado en fibra óptica con el prisma hueco de la presente invención.

Antecedentes de la invención

El nivel de un líquido contenido en un depósito se puede medir por medio de diversos procedimientos, a saber: un flotador conectado a un lector externo de forma tanto mecánica como magnética, o dispositivos que 15 manipulan ondas ultrasónicas/ópticas o sensores basados en la capacidad eléctrica. Cada procedimiento de detección tiene sus ventajas y desventajas.

En la industria, la aviación, la tecnología espacial y la investigación científica, se utilizan de manera generalizada fluidos criogénicos tales como: nitrógeno líquido, oxígeno líquido, hidrógeno líquido y helio líquido. En 20 la mayoría de estos ámbitos de aplicación, el estudio del comportamiento dinámico de los líquidos criogénicos, durante el llenado y el vaciado de grandes depósitos de material criogénico, así como el control cuantitativo fiable de estos fluidos cuando se realizan este tipo de operaciones a altas velocidades de flujo se han convertido en un campo de investigación muy activo. En particular, la medición de los niveles de combustible criogénico y de oxidante en los grandes depósitos de los sistemas criogénicos constituye una tarea de importancia primordial, especialmente cuando el ámbito de aplicación conlleva la detección y regulación de complejas tareas instrumentales de manera coordinada.

Se usaron varios procedimientos de detección de la interfase líquido-vapor (L-V) para facilitar dicha medición de nivel. Los procedimientos conocidos se basaban en las diferencias en la resistencia, capacidad, 30 impedancia acústica o amortiguación viscosa con el fin de detectar la ubicación de la interfase L-V. Entre estos procedimientos, los únicos que suscitaron interés para su aplicación generalizada en la industria aeroespacial fueron los sistemas de detección basados en la capacidad. No obstante, los factores relacionados con los elevados costes, la lentitud en la respuesta, su gran peso y el peligro de accidentes por chispas eléctricas plantean varios interrogantes acerca de su fiabilidad, especialmente cuando se usan para la detección de los niveles de líquido en los depósitos de combustible de la industria aeroespacial.

Para hacer frente a los problemas concretos de la detección de niveles en depósitos de combustible utilizados en la industria aeroespacial, se han desarrollado diversos sistemas basados en la fibra óptica. Dichos sistemas poseen muchas ventajas con respecto a las tecnologías convencionales de detección de niveles, por 40 ejemplo: son eléctricamente pasivos por naturaleza, garantizan de manera inherente una detección de niveles exenta de chispas y no incluye piezas mecánicas móviles. En entornos explosivos, característicos del hidrógeno líquido y el oxígeno líquido, dichas propiedades ayudan a lograr un funcionamiento seguro con un aumento de la eficiencia y una reducción de la carga de mantenimiento. Además, las fibras ópticas son, por unidad de volumen, cuatro veces más ligeras y seis veces más resistentes que los cables de cobre. Ni producen interferencias 45 electromagnéticas, ni son susceptibles de sufrirlas, lo cual suprime la necesidad de protección/aislamiento, lo que las hace sustancialmente más ligeras que sus equivalentes eléctricos. Dicha reducción de peso resulta crucial en las aplicaciones aeroespaciales. Debido al aumento en la demanda de estos sistemas de fibra óptica en la industria de las telecomunicaciones, también están llegando a ser competitivos en cuanto al coste, Además, debido a que estos dispositivos detectan el nivel de líquido por medio de los principios de reflexión/refracción, proporcionan una 50 detección de niveles a una velocidad extremadamente elevada.

Existen sistemas de fibra óptica muy conocidos que, para la detección del nivel, se basan en dispositivos del tipo de pequeños prismas de reflexión interna total o unas lentes esféricas montadas en los extremos de dos fibras ópticas, o una punta de fibra óptica de forma cónica o una fibra óptica doblada en forma de 55 U. Dependiendo de la aplicación, dichos dispositivos pueden sufrir varias limitaciones. Por ejemplo, en estos dispositivos la intensidad de la luz reflejada constituye el factor en el que se basa la detección de niveles que depende de los índices de refracción tanto del líquido como del material usado para el prisma. Debido a que éste último cambia con las condiciones ambientales, dichos dispositivos, cuando se usan específicamente para medir el nivel de líquidos criogénicos, requieren el calibrado individual tanto de la presión como de la temperatura de funcionamiento. Además, estos dispositivos están diseñados frecuentemente para funcionar a un ángulo de desvío de 180º, que, en algunos casos, produce un relativo aumento del «volumen» del dispositivo de detección.

La fabricación de este tipo de dispositivos de detección comprende el acabado óptico de al menos tres o más superficies hasta lograr un alto grado de precisión de la superficie manteniendo un ángulo de prisma preciso. Además, la posición del dispositivo de detección con respecto a los dispositivos de guiado de luz es invariablemente fija y carece por completo de libertad de movimiento lineal o angular.

En el documento US 6801678 se describe un detector de fibra óptica usado para un sensor de líquido basado en la reflexión de tipo Fresnel, en el que parte de la luz transmitida se refleja en los límites de la interfase en los que los índices de refracción son diferentes y la intensidad de la luz reflejada depende del índice de refracción de la fibra y el líquido en condiciones ambientales.

En el documento EP 2063236 A1 se describe una indicación óptica del nivel de fluido basada en la refracción de un haz de luz dirigido a través de un tubo hueco abierto que se llena pontielly (parcialmente?) de fluido cuando se sumerge en el recipiente.

Las características de refracción de los prismas sólidos no permiten la transmisión de haces ópticos sin desviación. El haz óptico emergente siempre se desvía con respecto al haz óptico incidente, esté el prisma en el aire o sumergido en un líquido. Además, cuando se sumergen en líquidos, el grado de desviación en dichos prismas depende del índice de refracción del medio líquido, así como el del material usado para fabricar el prisma. Ambos factores obligan a llevar a cabo procedimientos de recalibrado y reubicación en detectores de nivel de fibra óptica basados en prismas sólidos cada vez que se cambie el líquido que se esté midiendo, o que sus condiciones de funcionamiento cambien de manera dinámica.

Objetos de la invención [0011] El objeto principal de la presente invención consiste en proporcionar un prisma hueco para detectar el nivel de un líquido.

Un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un prisma hueco para detectar el nivel de un líquido, que presente un comportamiento característico de refracción dependiente del entorno en presencia de un haz óptico emitido por una fuente.

Otro objeto de la presente invención consiste en proporcionar un prisma hueco para detectar el nivel de un líquido, con un espacio hueco prismático estanco lleno de aire o al vacío.

Otro objeto más de la presente invención consiste en proporcionar un prisma hueco para detectar el nivel de un líquido, en el que el proceso de detección del nivel sea independiente del índice de refracción del material

óptico usado para fabricar el prisma hueco.

Otro objeto más de la presente invención consiste en proporcionar un prisma hueco para detectar el nivel de un líquido, en el que se reduzca el volumen del material óptico presente en la zona de detección de nivel del prisma hueco.

Otro objeto de la presente invención consiste en proporcionar un prisma hueco para detectar el nivel de un líquido, en el que ciertos cambios en las condiciones ambientales, como la presión y la temperatura del líquido, no influyan en el comportamiento refractivo del prisma hueco.

Otro objeto más de la presente invención consiste en proporcionar un prisma hueco para detectar el nivel de un líquido, en el que el haz óptico emergente no se desvíe con respecto a la dirección del haz óptico incidente, cuando el prisma hueco no esté sumergido en un medio líquido.

Otro objeto de la presente invención consiste en proporcionar un prisma hueco para detectar el nivel de... [Seguir leyendo]

1. Prisma hueco para detectar el nivel de líquido en presencia de un haz óptico, que comprende: un elemento hueco 101 con una geometría adecuada, una primera superficie plana 102 dispuesta en el extremo 5 proximal de dicho elemento hueco 101, en el que dicha primera superficie plana 102 está dispuesta en dirección perpendicular al eje geométrico de dicho elemento hueco 101, una segunda superficie plana 103 dispuesta en el extremo distal de dicho elemento hueco 101 y a un ángulo inclinado «a» con respecto a dicha primera superficie plana (102) , un primer elemento dieléctrico 104 sellado sobre dicha primera superficie plana 102, un segundo elemento dieléctrico 105 sellado sobre dicha segunda superficie plana 103, un espacio hueco estanco 107 dispuesto entre dichos primer y segundo elemento dieléctrico 104 y 105, en el que un haz óptico incidente 109 penetra a través de dicho primer elemento dieléctrico 104 y sale como un haz óptico emergente a través de dicho segundo elemento dieléctrico 105, y en el que dicho haz emergente se mantiene sin desviación 110 cuando dicho elemento hueco 101 no está sumergido en un medio líquido 113 y dicho haz emergente sufre una desviación 114 cuando se sumerge en dicho medio líquido 113.

2. El prisma hueco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha geometría es cilíndrica o poligonal.

3. El prisma hueco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos primer y segundo elementos

dieléctricos 104 y 105 son transparentes o semitransparentes. 20

4. El prisma hueco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos primer y segundo elementos dieléctricos 104 y 105 son placas o películas paralelas transparentes hechas de diamante, zafiro, cuarzo, silicio, germanio, un cuarzo fundido amorfo, borosilicato en corona, polimetilmetacrilato (PMMA) , policloruro de vinilo (PVC)

o una combinación de ellos. 25

5. El prisma hueco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las superficies de dichos primer y segundo elementos dieléctricos 104 y 105 no presentan una elevada precisión óptica.

6. El prisma hueco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que hay una lente de colimación 115 30 dispuesta coaxialmente en dicho elemento hueco 101, en lugar de dicho primer elemento dieléctrico.

7. El prisma hueco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que hay un transmisor de fibra óptica 108 dispuesto coaxialmente en dicho elemento hueco 101, en lugar de dicho primer elemento dieléctrico 104.

8. El prisma hueco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que hay una lente de colimación 115 y un transmisor de fibra óptica 108 dispuestos coaxialmente en dicho elemento hueco 101, en lugar de dicho primer elemento dieléctrico 104.

9. Detector de nivel de líquido de fibra óptica, que comprende: un elemento de soporte 122, un elemento de sujeción 136 conectado a dicho elemento de soporte 122, un prisma hueco que incluye un elemento hueco 101 con una geometría adecuada, una primera superficie plana 102 dispuesta en el extremo proximal de dicho elemento hueco 101, en el que dicha primera superficie plana 102 dispuesta en dirección perpendicular con respecto al eje geométrico de dicho elemento hueco 101, una segunda superficie plana 103 dispuesta en el extremo distal de dicho elemento hueco 101 y a un ángulo inclinado «a» con respecto a dicha primera superficie plana 102, una lente de 45 colimación 115 dispuesta coaxialmente en dicho elemento hueco 101, un transmisor de fibra óptica 108 sellado coaxialmente sobre dicho elemento hueco 101 en dicho extremo proximal, un elemento dieléctrico 105b dispuesto en dicha segunda superficie plana 103 y sellado, un espacio hueco estanco 107 dispuesto entre dicho transmisor de fibra óptica 108 y dicho elemento dieléctrico 105b, y en el que un haz óptico incidente 109 procedente de dicho transmisor de fibra óptica 108 sale a modo de haz emergente a través de dicho elemento dieléctrico 105b, en el que 50 dicho haz emergente se mantiene sin desviación 110 cuando dicho elemento hueco 101 no está sumergido en un medio líquido 113 y dicho haz emergente sufre una desviación 114 cuando se sumerge en dicho medio líquido 113, un regulador de distancia 124 montado sobre dicho elemento de soporte 122, un receptor de fibra óptica 112 conectado con dicho extremo distal de dicho regulador de distancia 124 y dispuesto coaxialmente con respecto a dicho transmisor de fibra óptica 108 para recibir un haz óptico no desviado 110, un alojamiento 138 con unas 55 aberturas 139 para la entrada de líquido, un detector 141 conectado con dicho receptor de fibra óptica 112, y un controlador 142 conectado con dicho detector 141.

10. El prisma hueco de acuerdo con la reivindicación 1 o el detector de nivel de líquido de fibra óptica de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicho elemento hueco 101 es opaco, transparente, metálico o no metálico.

11. El detector de nivel de líquido de fibra óptica de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la configuración de dicho elemento hueco 101 es cilíndrica o poligonal.

12. El prisma hueco de acuerdo con la reivindicación 1 o el detector de nivel de líquido de fibra óptica de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicho ángulo inclinado «a» se encuentra en el intervalo de 10º a 70º, preferentemente de 30º a 45º.

13. El detector de nivel de líquido de fibra óptica de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicho elemento dieléctrico 105b es transparente, semitransparente, o en el que dicho elemento dieléctrico 105b es una placa o película paralela hecha de diamante, zafiro, cuarzo, silicio, germanio, un cuarzo fundido amorfo, borosilicato en corona, polimetilmetacrilato (PMMA) , policloruro de vinilo (PVC) o una combinación de ellos, o en el que la superficie de dicho elemento dieléctrico 105b no presenta una alta precisión óptica.

14. El prisma hueco de acuerdo con la reivindicación 1 o el detector de nivel de líquido de fibra óptica de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el tamaño de dicho espacio hueco estanco 107 es variable.

15. El detector de nivel de líquido de fibra óptica de acuerdo con la reivindicación 9, en el que hay una

lente de colimación 115 dispuesta coaxialmente en dicho elemento hueco 101 en lugar de dicho primer elemento dieléctrico 104, o en el que una pluralidad de dichos detectores de nivel de líquido 117 están conectados en serie, o en el que dicho elemento hueco 101 se encuentra dispuesto en dicho medio líquido 113 a modo de flotador.